集中式電化學(xué)儲能電站儲能效率深度解析

作者：蘭洋科技????瀏覽量：10335????時間：2023年06月14日????標(biāo)簽: 儲能電站儲能電池冷卻系統(tǒng)

1. 背景

在儲能行業(yè)的起步階段，不管是投資方、業(yè)主方還是集成方，對效率的要求或者說是實(shí)際效率都不是那么清晰；隨著儲能行業(yè)快速增長、儲能知識及經(jīng)驗(yàn)的大量沉淀，各方都加大了對儲能系統(tǒng)效率指標(biāo)的關(guān)注，且都會提到相應(yīng)的效率要求。但主要的問題是，對于效率的界定方式，各方都存在較大的差異，比如業(yè)主招標(biāo)要求里僅寫到儲能效率要求不低于85%，那么業(yè)主真實(shí)意圖是指儲能系統(tǒng)的綜合效率不低于85%？還是說儲能裝置效率不低于85%？作為總包方或者集成方在響應(yīng)該要求時就會存在理解偏差。本文將結(jié)合儲能相關(guān)國家標(biāo)準(zhǔn)及各設(shè)備效率性能指標(biāo)，詳細(xì)講解儲能的各個效率釋義與對應(yīng)效率指標(biāo)。

2. 有哪些效率？

2.1 電站綜合效率

根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)《GBT 36549-2018 電化學(xué)儲能電站運(yùn)行指標(biāo)及評價》：儲能電站綜合效率應(yīng)為評價周期內(nèi)，儲能電站生產(chǎn)運(yùn)行過程中上網(wǎng)電量與下網(wǎng)電量的比值。

釋義：

電站上網(wǎng)電量：評價周期內(nèi)儲能電站向電網(wǎng)輸送的電量總和；
電站下網(wǎng)電量：評價周期內(nèi)儲能電站從電網(wǎng)接受的電量總和；
上網(wǎng)電量和下網(wǎng)電量應(yīng)從儲能電站與電網(wǎng)之間的關(guān)口計(jì)量表?。?/p>

這里我們需要注意的有兩個點(diǎn)：

① 評價周期：是以一個儲能充放電循環(huán)時間、還是以日、月、年為周期評估？不同評價周期對應(yīng)的效率指標(biāo)是不一樣的。

② 在計(jì)算綜合效率時，需要包含站內(nèi)輔助用電損耗，比如冷卻系統(tǒng)（空調(diào)/液冷機(jī)組）、監(jiān)控等用電。

2.2 儲能單元充放電能量轉(zhuǎn)換效率

根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)《GBT 36549-2018 電化學(xué)儲能電站運(yùn)行指標(biāo)及評價》：對于鉛酸電池和鋰離子電池，充放電能量轉(zhuǎn)換效率應(yīng)為評價周期內(nèi)，儲能單元總放電量與總充電量的比值。

釋義：

儲能單元充電量：評價周期內(nèi)儲能單元交流側(cè)充電量的總和；
儲能單元放電量：評價周期內(nèi)儲能單元交流側(cè)放電量的總和；
電化學(xué)儲能單元：由電化學(xué)電池、與其相連的功率變換系統(tǒng)以及電池管理系統(tǒng)組成的，能獨(dú)立進(jìn)行電能存儲、釋放的最小儲能系統(tǒng)。

這里我們需要注意的是按電化學(xué)儲能單元的標(biāo)準(zhǔn)釋義，可不包含隔離變壓器/升壓變壓器；目前常規(guī)集中式風(fēng)冷系統(tǒng)常采取5MWh電池艙+2.5MW 逆變升壓一體機(jī)艙組成（包含2個2.5MWh電池堆及2臺1250kW 儲能變流器），這里我們理解電化學(xué)儲能單元規(guī)格為1.25MW/2.5MWh，在計(jì)算該效率時，取PCS交流側(cè)計(jì)量表計(jì)數(shù)據(jù)。

2.3 儲能裝置效率

根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)《GB/T 51437-2021 風(fēng)光儲聯(lián)合發(fā)電站設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》：

儲能裝置效率應(yīng)根據(jù)電池效率、功率變換系統(tǒng)效率、電力線路效率、變壓器效率等因素按下式計(jì)算：

：電池效率，儲能電池完成充放電循環(huán)的效率，即電池本體放出電量與充入電量的比值；

：功率變換系統(tǒng)效率，包括整流效率和逆變效率；

：電力線路效率，考慮交直流電纜雙向輸電損耗后的效率；

：變壓器效率，考慮變壓器雙向變壓損耗后的效率

2.4 其它效率

儲能系統(tǒng)充電效率、儲能系統(tǒng)放電效率

3. 儲能系統(tǒng)各組成設(shè)備效率及損耗說明

3.1 組成說明

整體上說，集中式儲能系統(tǒng)包含三大部分：

電池艙：電池堆、電池管理系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)（空調(diào)或液冷機(jī)組）、消防及輔助用電；
逆變及升壓艙：儲能變流器、升壓變壓器、開關(guān)柜、輔助用電；
能量管理系統(tǒng)：服務(wù)器、交換機(jī)及相關(guān)控制、顯示設(shè)備；

3.2 電池系統(tǒng)效率說明

根據(jù)《GB/T 36276-2018 電力儲能用鋰離子電池》中電池簇性能要求可知，電池簇初始能量效率不小于92%；而根據(jù)2022年《GB/T 36276電力儲能用鋰離子電池征求意見稿》中要求:電池簇在（25±5）℃及額定功率條件下初始能量效率不應(yīng)小于95%。

在30℃試驗(yàn)環(huán)境下，單電池簇能量效率是有可能做到95%的；考慮到集中式儲能系統(tǒng)多簇并聯(lián)存在的一致性問題會導(dǎo)致充放電量不及預(yù)期從而降低直流側(cè)效率及項(xiàng)目使用時電池艙內(nèi)環(huán)境溫度一般控在25℃這兩個因素，故實(shí)際使用時，直流側(cè)效率一般做不到95%。本處電池系統(tǒng)效率仍按92%計(jì)算，=92%。

注意：上述效率為初始效率。

3.3 功率變換系統(tǒng)效率說明

根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)《GB/T 34120-2017 電化學(xué)儲能系統(tǒng)儲能變流器技術(shù)規(guī)范》：在額定運(yùn)行條件下，儲能變流器的整流和逆變效率均應(yīng)不低于94%。

2022年《GB/T 34120-XXX 電化學(xué)儲能系統(tǒng)儲能變流器技術(shù)要求》征求意見稿將該指標(biāo)提高至97%。

目前主流儲能變流器企業(yè)宣傳PCS最高效率99%以上，但是儲能變流器的最高效率點(diǎn)不一定是額定功率下的效率點(diǎn)；一般額定功率下及額定電壓下的的整流與逆變效率可做到98.5%, =98.5%×98.5%≈97.02%。

3.4 電力線路效率說明

以單個2.5MW/5MWh儲能系統(tǒng)為例，系統(tǒng)內(nèi)包含1臺2.5MW 逆變及升壓艙，艙內(nèi)配置2臺1250kW 儲能變流器，1臺2500kVA升壓變壓器。

3.4.1 直流側(cè)電力線路效率

直流側(cè)電壓范圍按1000V~1500V考慮，根據(jù)直流側(cè)額定電流、直流線纜線徑、線纜長度等參數(shù)，計(jì)算得出：直流側(cè)單向效率約為：99.83%；

則：直流側(cè)電力線路效率為：=99.83%*99.83%≈99.66%。

3.4.2 低壓交流側(cè)電力線路效率

儲能變流器交流側(cè)輸出額定電壓為AC690V，根據(jù)交流側(cè)額定電流、交流線纜線徑、線纜長度等參數(shù)計(jì)算得出：PCS交流側(cè)-變壓器低壓側(cè)單向效率約為：99.95%；

則：PCS交流側(cè)-變壓器低壓側(cè)電力線路效率為：=99.95%*99.95%≈99.9%。

3.4.3 高壓交流側(cè)電力線路效率

目前集中式儲能系統(tǒng)以35kV電壓等級并網(wǎng)居多，本次測算按35kV考慮。根據(jù)35kV交流側(cè)額定電流、35kV交流線纜線徑、線纜長度等參數(shù)計(jì)算得出：

高壓交流側(cè)單向效率約為：99.89%；

則：變壓器高壓側(cè)-儲能并網(wǎng)點(diǎn)電力線路效率為：=99.89%*99.89%≈99.78%。

3.4.4 電力線路效率

綜上，電力線路效率=**≈99.66%*99.9%*99.78%≈99.34%。

3.5 變壓器效率說明

項(xiàng)目常用干式變壓器，根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)《GB/T 10228-2015 干式電力變壓器技術(shù)參數(shù)和要求》，35kV 2500kVA無勵磁調(diào)壓電力變壓器其損耗指標(biāo)如下：

空載損耗：4.86kW；
負(fù)載損耗：20.6kW（100℃）；

在額定功率運(yùn)行時，變壓器效率為：(2500kW-4.86kW-20.6kW)/2500kW≈98.98%

則：變壓器雙向效率為：=98.98 %*98.98%≈97.97%。

3.6 輔助設(shè)備功耗說明

3.6.1 電池艙內(nèi)輔助設(shè)備功耗說明

目前主流風(fēng)冷系統(tǒng)電池艙單艙額定容量為5MWh，艙內(nèi)各設(shè)備組成及對應(yīng)功耗估算如下表：

3.6.2 逆變及升壓艙內(nèi)輔助設(shè)備功耗說明

與5MWh風(fēng)冷電池艙匹配的逆變及升壓艙規(guī)格為2.5MW，艙內(nèi)用電設(shè)備及用電功率小，主要包含PCS控制回路、箱變測控、變壓器散熱風(fēng)機(jī)、交換機(jī)等通訊設(shè)備、艙內(nèi)照明等輔助設(shè)備，預(yù)估功耗不超過1.5kW。

3.6.3 能量管理系統(tǒng)功耗說明

能量管理系統(tǒng)主要設(shè)備包含服務(wù)器、顯示器、交換機(jī)等通訊組網(wǎng)設(shè)備，對于2.5MW/5MWh儲能系統(tǒng)來說，預(yù)估功耗不超過3.5kW。

3.6.4 站用變/自用電變壓器效率說明

根據(jù)上述電池艙、逆變及升壓艙、能量管理系統(tǒng)部分功耗統(tǒng)計(jì)，可得出2.5MW/5MWh儲能系統(tǒng)輔助設(shè)備功耗為58.3kW，擬按80kVA考慮自用電變壓器配置。

站用變常用干式變壓器，根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)《GB/T 10228-2015 干式電力變壓器技術(shù)參數(shù)和要求》，35kV 100kVA無勵磁調(diào)壓電力變壓器其損耗指標(biāo)如下：

空載損耗：0.63kW；
負(fù)載損耗：1.97kW（100℃）；

本項(xiàng)目配置80kVA自用電變壓器，且使用功率為58.3kW，預(yù)估損耗水平如下：

空載損耗：0.5kW；
負(fù)載損耗：1.5kW（100℃）；

3.6.5 輔助設(shè)備總功耗

從上述計(jì)算可以看出，2.5MW/5MWh儲能系統(tǒng)在額定功率狀態(tài)下運(yùn)行時輔助設(shè)備總功耗約為60.3kW。

4. 效率分析

以2.5MW/5MWh儲能系統(tǒng)為例來進(jìn)行效率分析。

4.1 效率統(tǒng)計(jì)

對章節(jié)【儲能系統(tǒng)各組成設(shè)備效率及損耗說明】做個統(tǒng)計(jì)，如下表：

4.2 能量潮流

在分析效率之前，先看下儲能系統(tǒng)充電（圖1）與放電（圖2）過程的能量潮流：

4.3 儲能系統(tǒng)充電效率

假設(shè)電池系統(tǒng)SOC一致，充放電深度按90%考慮，若需要將5MWh儲能系統(tǒng)充滿，則需要其交流側(cè)初始的充電能量為：

=(系統(tǒng)額定容量×充放電深度)÷電池系統(tǒng)充電效率÷儲能變流器整流效率÷變壓器效率÷電力線路效率+輔助設(shè)備功耗

=5000kWh×90%÷95.92%÷98.5%÷98.98%÷99.67%+60.3kW*2h≈4948.47kWh；

則儲能系統(tǒng)交流側(cè)充電效率為：

= (5000kWh×90%)/Eoff=90.94%。

4.4 儲能系統(tǒng)放電效率

按2h放電小時計(jì)算，則其交流側(cè)初始放電能量為：

=(系統(tǒng)額定容量×充放電深度)×電池系統(tǒng)充電效率×儲能變流器逆變效率×變壓器效率×電力線路效率-輔助設(shè)備功耗

=5000kWh×90%（放電深度）×95.92%×98.5%×98.98%×99.67%-60.3kW*2h≈4073.8kWh；

交流側(cè)放電效率為：= Eon1/(5000kWh×90%)=90.53%。

4.5 儲能單元充放電能量轉(zhuǎn)換效率

需要注意，儲能單元充放電能量轉(zhuǎn)換效率考核的點(diǎn)為PCS交流側(cè)，該處計(jì)算情況如下：

儲能單元充電量：

=(系統(tǒng)額定容量×充放電深度)÷電池系統(tǒng)充電效率÷儲能變流器整流效率÷電力線路效率（直流側(cè)）÷電力線路效率（PCS交流側(cè)-變壓器低壓側(cè)）

=5000kWh×90%÷95.92%÷98.5%÷99.83%÷99.95%≈4773.35kWh

儲能單元放電量：

=(系統(tǒng)額定容量×充放電深度)×電池系統(tǒng)充電效率×儲能變流器逆變效率×電力線路效率（直流側(cè)）×電力線路效率（PCS交流側(cè)-變壓器低壓側(cè)）

=5000kWh×90%（放電深度）×95.92%×98.5%×99.83%×99.95%≈4242.3kWh

則儲能單元充放電能量轉(zhuǎn)換效率為：

= / =88.87%。

4.6 儲能裝置效率

根據(jù)儲能裝置效率定義，可得出儲能裝置效率為：

4.7 電站綜合效率

假設(shè)評價周期為一次滿充滿放，即充電2h，放電2h，不考慮待機(jī)情況，則一次循環(huán)的電站綜合效率為：

η=÷=4073.8kWh/4948.47kWh≈82.32%。

假設(shè)評價周期為一天，儲能系統(tǒng)每天僅進(jìn)行一次滿充滿放（4h），其余情況待機(jī)（20h）；那么在待機(jī)時候，PCS、變壓器都存在待機(jī)損耗、空調(diào)可能工作在制冷狀態(tài)也可能工作在送風(fēng)模式，其它輔助設(shè)備均工作在運(yùn)行模式。這部分待機(jī)功耗估計(jì)如下：

① 空調(diào)制冷模式工作1h，送風(fēng)模式工作19h；功耗估計(jì)約86kWh；

② 電池PACK風(fēng)機(jī)工作1h，停機(jī)19h；功耗估計(jì)約2.2kWh；

③ BMS、EMS工作在低功耗模式，變壓器風(fēng)機(jī)停機(jī)，其余輔助設(shè)備正常工作；功耗估計(jì)約60kWh；

④ 變壓器存在空載損耗、PCS存在待機(jī)損耗，功耗估計(jì)約113.2kWh；

綜上，2.5MW/5MWh儲能系統(tǒng)總待機(jī)損耗為：261.4kWh。

綜上，儲能電站日綜合效率為：

η=÷(+411.6)= 4073.8kWh/(4948.47+261.4)kWh≈78.19%。