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引言

在人類共同應(yīng)對(duì)全球氣候變化背景下，2020年9月，習(xí)近平總書記在第75屆聯(lián)合國(guó)大會(huì)上宣布：“中國(guó)將提高國(guó)家自主貢獻(xiàn)力度，采取更加有力的措施，二氧化碳排放力爭(zhēng)于2030年前達(dá)到峰值，努力爭(zhēng)取2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和。”這為我國(guó)應(yīng)對(duì)氣候變化、推動(dòng)綠色發(fā)展提供了方向指引、擘畫了宏偉藍(lán)圖。同年12月，習(xí)近平總書記在氣候雄心峰會(huì)上進(jìn)一步提出：到2030年，中國(guó)單位國(guó)內(nèi)生產(chǎn)總值二氧化碳排放將比2005年下降65%以上，非化石能源占一次能源消費(fèi)比重將達(dá)到25%左右，風(fēng)電、太陽(yáng)能發(fā)電總裝機(jī)容量將達(dá)到1.2TW以上。

在碳達(dá)峰、碳中和政策背景下，2021年3月，總書記進(jìn)一步提出要深化電力體制改革，構(gòu)建以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)。在國(guó)家“雙碳”目標(biāo)和“構(gòu)建新型電力系統(tǒng)”的背景下，新能源成為我國(guó)未來(lái)能源發(fā)展的長(zhǎng)期戰(zhàn)略，電力系統(tǒng)中新能源的占比將不斷增大，高比例可再生能源接入、高比例電力電子裝置（“雙高”）特征將更加顯著，對(duì)于電網(wǎng)快速瞬變有功負(fù)荷、無(wú)功負(fù)荷調(diào)節(jié)的需求也更加急迫。

在“雙高”電力系統(tǒng)中，儲(chǔ)能技術(shù)的應(yīng)用將貫穿于發(fā)電、輸電、配電、用電等各個(gè)環(huán)節(jié)[4-6]。在發(fā)電側(cè)，可以消除風(fēng)能、太陽(yáng)能發(fā)電波動(dòng)性對(duì)電網(wǎng)穩(wěn)定性的危害；在電網(wǎng)側(cè)，可以平衡電網(wǎng)的供需，起到削峰填谷的作用；在用戶側(cè)，可以平抑電網(wǎng)的波動(dòng)，為用戶提供平穩(wěn)可靠的電源。

儲(chǔ)能電站通過(guò)電能的存儲(chǔ)和釋放，實(shí)現(xiàn)了電力生產(chǎn)和消費(fèi)在時(shí)間、空間上的解耦，增強(qiáng)了電力系統(tǒng)運(yùn)行的靈活性，但在能量轉(zhuǎn)換的過(guò)程中，會(huì)產(chǎn)生電能的損耗，分析儲(chǔ)能運(yùn)行中電能損耗的主要來(lái)源并進(jìn)行定量計(jì)算對(duì)提高電站綜合效率和采取有針對(duì)性的降損措施至關(guān)重要。有學(xué)者以儲(chǔ)能變流器（PCS）為研究對(duì)象，通過(guò)優(yōu)化開關(guān)周期內(nèi)的動(dòng)作過(guò)程、合理分配開關(guān)管的動(dòng)作時(shí)間等方法減少變流損耗，此類方法可將效率提升0.3%~1%。文獻(xiàn)通過(guò)將SI基IGBT模塊更換為SICIGBT模塊，取得了較好的降損效果，但會(huì)顯著增加設(shè)備投資。文獻(xiàn)構(gòu)建了電池?fù)p耗模型，并計(jì)及電池老化問(wèn)題，分析并對(duì)比了不同運(yùn)行方式下儲(chǔ)能電站的經(jīng)濟(jì)效益和損耗情況。

考慮到應(yīng)用于電力領(lǐng)域的新型儲(chǔ)能裝置較多采用磷酸鐵鋰電池技術(shù)路線，且為預(yù)制艙（集裝箱）式布置，目前獲得的效率數(shù)據(jù)、布置形式較為完整且依據(jù)性較強(qiáng)，因此，本文針對(duì)預(yù)制艙式磷酸鐵鋰電池儲(chǔ)能電站（下文簡(jiǎn)稱“儲(chǔ)能電站”）的能量損耗計(jì)算開展研究。首先，分析了儲(chǔ)能電站運(yùn)行中產(chǎn)生能量損耗的原因，給出了能耗計(jì)算過(guò)程中需考慮的主要因素；其次，從儲(chǔ)能系統(tǒng)自身的損耗和輔助設(shè)備運(yùn)行的損耗兩個(gè)方面對(duì)儲(chǔ)能電站的能量損耗進(jìn)行了詳細(xì)分類，并分別給出了主回路設(shè)備能耗和輔助設(shè)備能耗的計(jì)算方法及效率值的選取方法；最后，選取規(guī)模為2MW/2MWh的儲(chǔ)能電池預(yù)制艙為計(jì)算算例，在典型運(yùn)行方式下計(jì)算了其全天運(yùn)行能耗，并與現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比分析，以期為同類儲(chǔ)能電站項(xiàng)目的能耗計(jì)算和估計(jì)提供工程參考。

1.儲(chǔ)能電站能耗計(jì)算需考慮的因素

儲(chǔ)能電站能耗計(jì)算主要考慮如下影響因素：（1）儲(chǔ)能電站規(guī)模，電站規(guī)模決定了其能耗的總體水平；（2）充放電倍率，不同的充放電倍率對(duì)儲(chǔ)能的充放電效率及PCS效率均有影響；（3）運(yùn)行模式，如快速頻率響應(yīng)（FFR）、峰谷套利（Arbitrage）等，儲(chǔ)能系統(tǒng)可能在不同的時(shí)間段采用不同的運(yùn)行模式，運(yùn)行模式對(duì)儲(chǔ)能系統(tǒng)的能耗水平有較大影響；（4）冷卻方式，儲(chǔ)能電池對(duì)于運(yùn)行溫度及溫度的均勻性極為敏感，因此，儲(chǔ)能電站通常采用空調(diào)系統(tǒng)作為艙內(nèi)溫度調(diào)節(jié)手段，空調(diào)配置的容量（耗電容量）及其能效比（COP）對(duì)儲(chǔ)能電站總體能耗也有較大影響。

在展開分析前，應(yīng)該指出，儲(chǔ)能電站的有功損耗主要來(lái)自于電池的充放電循環(huán)能量損失、空調(diào)系統(tǒng)耗電及儲(chǔ)能變流器（PCS）的效率損失，其他設(shè)備的有功損耗較小。大容量?jī)?chǔ)能變流器（PCS）的效率較高，考慮不同負(fù)荷水平情況下，充/放電的綜合效率一般可達(dá)到96%以上?？偟膩?lái)說(shuō)，儲(chǔ)能電站的總體效率通常為80%~85%，因此，主要的損耗來(lái)源是電池的充放電循環(huán)能量損失和空調(diào)系統(tǒng)耗電，且儲(chǔ)能電站損耗較大的根本原因是電池的充放電產(chǎn)生的循環(huán)能源損耗。

2.儲(chǔ)能電站能耗計(jì)算方法

儲(chǔ)能電站主要由儲(chǔ)能設(shè)備和其他必要的電氣一、二次設(shè)備、輔助設(shè)備等組成，利用儲(chǔ)能系統(tǒng)可以隨時(shí)儲(chǔ)存或釋放電力以及快速響應(yīng)的特性為電網(wǎng)運(yùn)行提供靈活性調(diào)節(jié)手段。

儲(chǔ)能電站在運(yùn)行時(shí)會(huì)產(chǎn)生能耗，能耗主要由兩個(gè)方面組成：儲(chǔ)能系統(tǒng)自身的損耗和輔助設(shè)備運(yùn)行的損耗。

2.1 儲(chǔ)能系統(tǒng)自身的損耗

當(dāng)儲(chǔ)能系統(tǒng)運(yùn)行于充/放電狀態(tài)時(shí)，在儲(chǔ)能電站的主回路中，電池、直流電纜、PCS、變壓器、低壓交流電纜、高壓交流電纜等設(shè)備均會(huì)產(chǎn)生能量損耗。

對(duì)于儲(chǔ)能電池而言，儲(chǔ)能放電和充電過(guò)程中其內(nèi)阻均會(huì)產(chǎn)生能量損失，充電倍率越大產(chǎn)生的能量損失越大，因此，對(duì)于儲(chǔ)能電池而言充放電倍率越大，其充放電轉(zhuǎn)換效率越低。根據(jù)儲(chǔ)能電池技術(shù)性能，在1C倍率下，電池的充放電轉(zhuǎn)換效率不小于92%，在0.5C倍率下，電池的充放電轉(zhuǎn)換效率不小于94%。直流電纜和交流電纜在通過(guò)電流時(shí)，會(huì)產(chǎn)生熱量損失，一般按照0.5%計(jì)算損耗。變壓器在運(yùn)行時(shí)會(huì)產(chǎn)生損耗，一般按照0.5%計(jì)算。

儲(chǔ)能變流器最大轉(zhuǎn)換效率約98.5%，但是在運(yùn)行時(shí)，不同的直流側(cè)電壓和充放電狀態(tài)均會(huì)影響PCS的轉(zhuǎn)換效率，因此在實(shí)際計(jì)算時(shí)，通常按照98%的轉(zhuǎn)換效率進(jìn)行計(jì)算，其中充電時(shí)和放電時(shí)分別計(jì)算轉(zhuǎn)換效率。某廠家儲(chǔ)能變流器（PCS）效率隨直流側(cè)電壓和負(fù)載率的變化如圖1所示。


針對(duì)預(yù)制艙式磷酸鐵鋰電池儲(chǔ)能電站，在標(biāo)稱功率下進(jìn)行一次充放電的轉(zhuǎn)換效率公式為

η=ηe×ηb×ηpc×ηpd×ηx（1）

式中：

η−儲(chǔ)能系統(tǒng)充放電轉(zhuǎn)換效率（%）；

ηe−電池的充放電轉(zhuǎn)換效率（%）；

ηb−變壓器轉(zhuǎn)換效率（%）；

ηpc−PCS充電效率（%）；

ηpd−PCS放電效率（%）；

ηx−其他損耗（變壓器、線損等，%）。

可見，針對(duì)儲(chǔ)能固定的損耗，一次充放電效率應(yīng)不低于87.5%，約有12.5%的電能在一次充放電過(guò)程中損耗掉了。損耗主要發(fā)生在電池的充放電損耗上，其余損耗主要產(chǎn)生于各個(gè)設(shè)備運(yùn)行中的發(fā)熱損耗。本部分的損耗受季節(jié)、每天的充放電次數(shù)的影響較小。屬于固定的損耗，但是和儲(chǔ)能系統(tǒng)的充放電倍率有很大關(guān)系。以按1C配置的儲(chǔ)能電站為例，在0.5C的情況下，電池的充放電轉(zhuǎn)換效率是94%，那么總的儲(chǔ)能系統(tǒng)充放電轉(zhuǎn)換效率為89.4%，在0.25C的倍率下，電池的充放電轉(zhuǎn)換效率是96%，儲(chǔ)能系統(tǒng)的充放電轉(zhuǎn)換效率為91.3%。

從以上的分析可以看出，儲(chǔ)能電站在運(yùn)行時(shí)，不同的充放電倍率對(duì)能耗有較大影響。根據(jù)已有項(xiàng)目運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，5MW/10MWh的儲(chǔ)能電站在進(jìn)行額定能量測(cè)試和充放電轉(zhuǎn)換效率測(cè)試時(shí)，其并網(wǎng)點(diǎn)處的充放電轉(zhuǎn)換效率約為89.7%（該儲(chǔ)能電站站用電從站外取得，不計(jì)入電表）?？梢曰掘?yàn)證上文對(duì)儲(chǔ)能系統(tǒng)轉(zhuǎn)換效率的分析是基本符合實(shí)際的。

2.2 輔助設(shè)備運(yùn)行的損耗

儲(chǔ)能電站作為一個(gè)實(shí)現(xiàn)一定功能的整體，在運(yùn)行時(shí)由大量的輔助設(shè)備來(lái)保證儲(chǔ)能系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行，例如：一體化電源系統(tǒng)、照明系統(tǒng)、安防系統(tǒng)、火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)、環(huán)境系統(tǒng)、暖通系統(tǒng)、自動(dòng)化系統(tǒng)等。這些系統(tǒng)作為儲(chǔ)能電站的輔助系統(tǒng)來(lái)保證儲(chǔ)能系統(tǒng)的可靠運(yùn)行，因此輔助設(shè)備的耗電量也占儲(chǔ)能電站總能耗的較大比重。

儲(chǔ)能系統(tǒng)可能處于運(yùn)行狀態(tài)或未運(yùn)行狀態(tài)（待機(jī)狀態(tài)），對(duì)于參與電網(wǎng)削峰填谷的儲(chǔ)能電站，若運(yùn)行策略為一天完成一充一放，充放電倍率為1C，則在充放電狀態(tài)（2h）時(shí)處于運(yùn)行狀態(tài)，其余時(shí)間儲(chǔ)能系統(tǒng)為未運(yùn)行狀態(tài)。針對(duì)運(yùn)行狀態(tài)，其輔助設(shè)備的運(yùn)行狀況和非運(yùn)行狀態(tài)下的運(yùn)行狀況有所不同，主要的不同點(diǎn)在于暖通系統(tǒng)在運(yùn)行狀態(tài)時(shí)開啟，在非運(yùn)行狀態(tài)時(shí)不開啟或偶爾開啟。

儲(chǔ)能電站內(nèi)主要的輔助設(shè)備用電情況統(tǒng)計(jì)如表1所示。儲(chǔ)能系統(tǒng)主要的輔助設(shè)備耗電功率在電池預(yù)制艙，主要的耗電設(shè)備是工業(yè)空調(diào)。工業(yè)空調(diào)作為電池預(yù)制艙的熱管理關(guān)鍵設(shè)備，在儲(chǔ)能系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)是必不可少的設(shè)備，主要用來(lái)維持儲(chǔ)能設(shè)備的運(yùn)行溫度，保證儲(chǔ)能電芯的最佳性能。輔助設(shè)備的耗電主要和運(yùn)行策略、季節(jié)等相關(guān)度較大。電池預(yù)制艙的空調(diào)主要在儲(chǔ)能系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)全力開啟，非運(yùn)行狀態(tài)時(shí)通常開啟內(nèi)循環(huán)出風(fēng)，不制冷，耗電不多。因此，每天的工作策略對(duì)空調(diào)的耗電影響較大，一天一充一放，空調(diào)每天的運(yùn)行時(shí)長(zhǎng)約為2h，兩充兩放，空調(diào)的運(yùn)行時(shí)長(zhǎng)約為4h。

不同季節(jié)對(duì)空調(diào)的耗電影響也比較大?？照{(diào)的制冷量和戶外環(huán)境的溫度也有關(guān)系，當(dāng)夏季環(huán)境溫度較高時(shí)，制冷效果較差，因此工作時(shí)長(zhǎng)會(huì)加長(zhǎng)。在冬季雖然環(huán)境溫度低，制冷效果好，儲(chǔ)能系統(tǒng)工作時(shí)的制冷工作時(shí)長(zhǎng)較別的季節(jié)短，但是在儲(chǔ)能不運(yùn)行時(shí)，還需要啟動(dòng)制熱功能，保證儲(chǔ)能電芯的工作溫度。因此，在冬季和夏季的耗電量相對(duì)較大。根據(jù)項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn)，輔助設(shè)備能耗約占儲(chǔ)能電站整體損耗的5%～8%。

3.案例分析

3.1 系統(tǒng)概述

某儲(chǔ)能電池艙配置規(guī)模為2MW/2MWh，主要耗電設(shè)備包括空調(diào)、電池管理系統(tǒng)（BMS）、風(fēng)扇、照明等，電池艙主要配置參數(shù)如表2所示。


3.2 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)及分析

3.2.1 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果

現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)中，儲(chǔ)能電池艙配置規(guī)模仍為2MW/2MWh，儲(chǔ)能系統(tǒng)運(yùn)行方式為參與電網(wǎng)削峰填谷，運(yùn)行工況為1C充放電，循環(huán)次數(shù)為1次。配置冷暖空調(diào)2臺(tái)，單臺(tái)空調(diào)的最大制冷功率為17.5kW，2臺(tái)共35kW，單臺(tái)空調(diào)的最大制熱功率為15kW，2臺(tái)共30kW。當(dāng)空調(diào)采用內(nèi)循環(huán)方式運(yùn)行時(shí)，單臺(tái)空調(diào)的耗電量為2kW，2臺(tái)共4kW。
  
根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果，按照1C運(yùn)行工況執(zhí)行1次完整的充放電循環(huán)，對(duì)于夏季場(chǎng)景，空調(diào)需要以制冷方式運(yùn)行約4h，耗電量為4h×35kW=140kWh，其余時(shí)間為內(nèi)循環(huán)方式，耗電量為20h×4kW=80kWh，總計(jì)為220kWh。

對(duì)于冬季場(chǎng)景，制熱需要額外消耗一部分電量，假定儲(chǔ)能電池艙可近似為一絕熱系統(tǒng)，電池的發(fā)熱也會(huì)將制冷時(shí)間降低，因此，可認(rèn)為耗電量和夏季的情況大致相同?？偟膩?lái)說(shuō)，夏季、冬季的耗電量大于春季、秋季的耗電量。

其他用電設(shè)備包括電池管理系統(tǒng)（BMS）、風(fēng)扇（安裝于每個(gè)電池模組）、照明燈等，供電容量最大約5kW，考慮用電設(shè)備大部分時(shí)間不會(huì)同時(shí)滿功率運(yùn)行，如果同時(shí)系數(shù)按0.5考慮，則其他用電設(shè)備的全天耗電量約為5kW×24h×0.5=60kWh。

可見，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果及其他用電設(shè)備耗電情況，夏季和冬季場(chǎng)景中，在假定運(yùn)行方式和運(yùn)行工況下（參與電網(wǎng)削峰填谷、1C充放電、1次充放電循環(huán)），每天儲(chǔ)能電池艙內(nèi)的空調(diào)及其他用電設(shè)備耗電共約280kWh。

3.2.2 結(jié)果分析

儲(chǔ)能電池在充放電的過(guò)程中存在能量損耗，以充電效率和放電效率來(lái)表征。儲(chǔ)能電池的充放電效率主要受電池運(yùn)行環(huán)境、充放電倍率影響，電池運(yùn)行環(huán)境溫度通常受艙內(nèi)空調(diào)調(diào)控，一般處于合理的溫度區(qū)間，充放電倍率是電池充放電效率的主要影響因素。如前文所述，在1C倍率下，電池的充放電轉(zhuǎn)換效率不小于92%，0.5C倍率下，電池的充放電轉(zhuǎn)換效率不小于94%。假定電池以1C倍率進(jìn)行充放電（如試驗(yàn)工況），電池的充放電轉(zhuǎn)換效率約為92%（充電效率、放電效率各約96%）。

從以上分析可知，若進(jìn)行一次完整的充放電循環(huán)，則約有8%的能量轉(zhuǎn)換損耗，即充電能量為2MWh，實(shí)際的放電容量為1.84MWh，損耗能量約為160MWh。

假定儲(chǔ)能電池艙為一絕熱系統(tǒng)，即不考慮外界溫度的影響，則在充放電過(guò)程中產(chǎn)生的熱量將由空調(diào)傳導(dǎo)至艙外，以恢復(fù)艙內(nèi)溫度至合理水平。理論上說(shuō)，空調(diào)的制冷量與電池產(chǎn)生的熱量相當(dāng)即可。本例中每臺(tái)空調(diào)最大制冷功率為17.5kW，制冷量約為40kW，2臺(tái)空調(diào)的制冷量約為80kW。因此，若每天進(jìn)行1次完整的充放電循環(huán)，產(chǎn)生的熱量約為160kWh，，艙內(nèi)空調(diào)運(yùn)行2h即可使艙內(nèi)溫度處于正常范圍內(nèi)，則理論上的空調(diào)全天耗電量為2h×35kW+22h×4kW=158kWh。可見，理論上空調(diào)耗電與電池?fù)p耗基本相同，可以理解為儲(chǔ)能電池運(yùn)行過(guò)程中產(chǎn)生一定能量的熱量，還需要幾乎同等的能量才可以將這部分熱量傳導(dǎo)至艙體外。

當(dāng)計(jì)算整個(gè)儲(chǔ)能電站的能量損耗時(shí)，需在本節(jié)所討論的儲(chǔ)能電池艙能量損耗的基礎(chǔ)上，考慮接入預(yù)制艙、總控預(yù)制艙、一體化電源預(yù)制艙以及PCS升壓預(yù)制艙的主回路和輔助設(shè)備產(chǎn)生的能量損耗，由于本節(jié)已計(jì)入儲(chǔ)能電池艙內(nèi)的輔助設(shè)備能耗，故再疊加3%~6%的損耗率即可估計(jì)儲(chǔ)能電站的整體能量損耗。

結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果和本節(jié)分析之間的差異性可知，儲(chǔ)能站內(nèi)的能耗不能僅通過(guò)某次試驗(yàn)獲得，需要進(jìn)行長(zhǎng)期的能耗數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，同時(shí)與理論分析進(jìn)行比對(duì)，才能獲得儲(chǔ)能站真實(shí)的能耗情況。

4.結(jié)論

1）從儲(chǔ)能電站的角度給出了能耗計(jì)算中需考慮的主要因素。
  
2）將儲(chǔ)能電站的能耗分為2個(gè)方面，儲(chǔ)能系統(tǒng)自身的損耗和輔助設(shè)備運(yùn)行的損耗，并分別給出了能耗的計(jì)算方法及效率值的選取方法。

3）以配置規(guī)模為2MW/2MWh的儲(chǔ)能電池預(yù)制艙為計(jì)算算例，在典型運(yùn)行方式下計(jì)算了全天運(yùn)行能耗，并與現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比分析。

4）指出儲(chǔ)能電站的長(zhǎng)期能耗水平難以通過(guò)某次試驗(yàn)獲得，需進(jìn)行長(zhǎng)期的能耗數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，并與理論計(jì)算進(jìn)行比對(duì)，才能獲得儲(chǔ)能電站的真實(shí)能耗。

原標(biāo)題：預(yù)制艙式磷酸鐵鋰電池儲(chǔ)能電站能耗計(jì)算研究