Research on Energy Consumption Calculation of Prefabricated Cabin Type Lithium Iron Phosphate Battery Energy Storage Power Station

在人类共同应对全球气候变化背景下，2020年9月，习近平总书记在第75届联合国大会上宣布：“中国将提高国家自主贡献力度，采取更加有力的措施，二氧化碳排放力争于2030年前达到峰值，努力争取2060年前实现碳中和^[1-3]。”这为我国应对气候变化、推动绿色发展提供了方向指引、擘画了宏伟蓝图。同年12月，习近平总书记在气候雄心峰会上进一步提出：到2030年，中国单位国内生产总值二氧化碳排放将比2005年下降65%以上，非化石能源占一次能源消费比重将达到25%左右，风电、太阳能发电总装机容量将达到1.2 TW以上。

在碳达峰、碳中和政策背景下，2021年3月，总书记进一步提出要深化电力体制改革，构建以新能源为主体的新型电力系统。在国家“双碳”目标和“构建新型电力系统”的背景下，新能源成为我国未来能源发展的长期战略，电力系统中新能源的占比将不断增大，高比例可再生能源接入、高比例电力电子装置（“双高”）特征将更加显著，对于电网快速瞬变有功负荷、无功负荷调节的需求也更加急迫。

在“双高”电力系统中，储能技术的应用将贯穿于发电、输电、配电、用电等各个环节^[4-6]。在发电侧，可以消除风能、太阳能发电波动性对电网稳定性的危害；在电网侧，可以平衡电网的供需，起到削峰填谷的作用；在用户侧，可以平抑电网的波动，为用户提供平稳可靠的电源^[7-9]。

储能电站通过电能的存储和释放，实现了电力生产和消费在时间、空间上的解耦，增强了电力系统运行的灵活性，但在能量转换的过程中，会产生电能的损耗，分析储能运行中电能损耗的主要来源并进行定量计算对提高电站综合效率和采取有针对性的降损措施至关重要。有学者以储能变流器（PCS）为研究对象，通过优化开关周期内的动作过程、合理分配开关管的动作时间等方法减少变流损耗^[10-12]，此类方法可将效率提升0.3%~1%。文献^[13]通过将SI基IGBT模块更换为SIC IGBT模块，取得了较好的降损效果，但会显著增加设备投资。文献^[14]构建了电池损耗模型，并计及电池老化问题，分析并对比了不同运行方式下储能电站的经济效益和损耗情况。

考虑到应用于电力领域的新型储能装置较多采用磷酸铁锂电池技术路线^[15-16]，且为预制舱（集装箱）式布置，目前获得的效率数据、布置形式较为完整且依据性较强，因此，本文针对预制舱式磷酸铁锂电池储能电站（下文简称“储能电站”）的能量损耗计算开展研究^[17-19]。首先，分析了储能电站运行中产生能量损耗的原因，给出了能耗计算过程中需考虑的主要因素；其次，从储能系统自身的损耗和辅助设备运行的损耗两个方面对储能电站的能量损耗进行了详细分类，并分别给出了主回路设备能耗和辅助设备能耗的计算方法及效率值的选取方法；最后，选取规模为2 MW/2 MWh的储能电池预制舱为计算算例，在典型运行方式下计算了其全天运行能耗，并与现场试验结果进行了对比分析，以期为同类储能电站项目的能耗计算和估计提供工程参考。

储能电站能耗计算主要考虑如下影响因素：（1）储能电站规模，电站规模决定了其能耗的总体水平；（2）充放电倍率，不同的充放电倍率对储能的充放电效率及PCS效率均有影响；（3）运行模式，如快速频率响应（FFR）、峰谷套利（Arbitrage）等，储能系统可能在不同的时间段采用不同的运行模式，运行模式对储能系统的能耗水平有较大影响；（4）冷却方式，储能电池对于运行温度及温度的均匀性极为敏感，因此，储能电站通常采用空调系统作为舱内温度调节手段，空调配置的容量（耗电容量）及其能效比（COP）对储能电站总体能耗也有较大影响。

在展开分析前，应该指出，储能电站的有功损耗主要来自于电池的充放电循环能量损失、空调系统耗电及储能变流器（PCS）的效率损失，其他设备的有功损耗较小^[20-21]。大容量储能变流器（PCS）的效率较高，考虑不同负荷水平情况下，充/放电的综合效率一般可达到96%以上。总的来说，储能电站的总体效率通常为80%~85%，因此，主要的损耗来源是电池的充放电循环能量损失和空调系统耗电，且储能电站损耗较大的根本原因是电池的充放电产生的循环能源损耗。

储能电站主要由储能设备和其他必要的电气一、二次设备、辅助设备等组成，利用储能系统可以随时储存或释放电力以及快速响应的特性为电网运行提供灵活性调节手段。

储能电站在运行时会产生能耗，能耗主要由两个方面组成：储能系统自身的损耗和辅助设备运行的损耗。

当储能系统运行于充/放电状态时，在储能电站的主回路中，电池、直流电缆、PCS、变压器、低压交流电缆、高压交流电缆等设备均会产生能量损耗。

对于储能电池而言，储能放电和充电过程中其内阻均会产生能量损失，充电倍率越大产生的能量损失越大，因此，对于储能电池而言充放电倍率越大，其充放电转换效率越低。根据储能电池技术性能，在1 C倍率下，电池的充放电转换效率不小于92%，在0.5 C倍率下，电池的充放电转换效率不小于94%。直流电缆和交流电缆在通过电流时，会产生热量损失，一般按照0.5%计算损耗。变压器在运行时会产生损耗，一般按照0.5%计算。

储能变流器最大转换效率约98.5%，但是在运行时，不同的直流侧电压和充放电状态均会影响PCS的转换效率，因此在实际计算时，通常按照98%的转换效率进行计算，其中充电时和放电时分别计算转换效率。某厂家储能变流器（PCS）效率随直流侧电压和负载率的变化如图1所示。

Figure 1.  Relation curve between efficiency and load rate of energy storage converter of an equipment manufacturer

针对预制舱式磷酸铁锂电池储能电站，在标称功率下进行一次充放电的转换效率公式为

式中：

$\eta $ ——储能系统充放电转换效率（%）；

${\eta _{\rm{e}}}$ ——电池的充放电转换效率（%）；

${\eta _{\rm{b}}}$ ——变压器转换效率（%）；

${\eta _{{\rm{pc}}}}$ ——PCS充电效率（%）；

${\eta _{{\rm{pd}}}}$ ——PCS放电效率（%）；

${\eta _{\rm{x}}}$ ——其他损耗（变压器、线损等，%）。

可见，针对储能固定的损耗，一次充放电效率应不低于87.5%，约有12.5%的电能在一次充放电过程中损耗掉了。损耗主要发生在电池的充放电损耗上，其余损耗主要产生于各个设备运行中的发热损耗。本部分的损耗受季节、每天的充放电次数的影响较小。属于固定的损耗，但是和储能系统的充放电倍率有很大关系。以按1 C配置的储能电站为例，在0.5 C的情况下，电池的充放电转换效率是94%，那么总的储能系统充放电转换效率为89.4%，在0.25 C的倍率下，电池的充放电转换效率是96%，储能系统的充放电转换效率为91.3%。

从以上的分析可以看出，储能电站在运行时，不同的充放电倍率对能耗有较大影响。根据已有项目运行经验，5 MW/10 MWh的储能电站在进行额定能量测试和充放电转换效率测试时，其并网点处的充放电转换效率约为89.7%（该储能电站站用电从站外取得，不计入电表）。可以基本验证上文对储能系统转换效率的分析是基本符合实际的。

储能电站作为一个实现一定功能的整体，在运行时由大量的辅助设备来保证储能系统的安全稳定运行，例如：一体化电源系统、照明系统、安防系统、火灾报警系统、环境系统、暖通系统、自动化系统等。这些系统作为储能电站的辅助系统来保证储能系统的可靠运行，因此辅助设备的耗电量也占储能电站总能耗的较大比重。

储能系统可能处于运行状态或未运行状态（待机状态），对于参与电网削峰填谷的储能电站，若运行策略为一天完成一充一放，充放电倍率为1 C，则在充放电状态（2 h）时处于运行状态，其余时间储能系统为未运行状态。针对运行状态，其辅助设备的运行状况和非运行状态下的运行状况有所不同，主要的不同点在于暖通系统在运行状态时开启，在非运行状态时不开启或偶尔开启。

储能电站内主要的辅助设备用电情况统计如表1所示。储能系统主要的辅助设备耗电功率在电池预制舱，主要的耗电设备是工业空调。工业空调作为电池预制舱的热管理关键设备，在储能系统运行时是必不可少的设备，主要用来维持储能设备的运行温度，保证储能电芯的最佳性能。辅助设备的耗电主要和运行策略、季节等相关度较大。电池预制舱的空调主要在储能系统的运行状态全力开启，非运行状态时通常开启内循环出风，不制冷，耗电不多。因此，每天的工作策略对空调的耗电影响较大，一天一充一放，空调每天的运行时长约为2 h，两充两放，空调的运行时长约为4 h。

不同季节对空调的耗电影响也比较大。空调的制冷量和户外环境的温度也有关系，当夏季环境温度较高时，制冷效果较差，因此工作时长会加长。在冬季虽然环境温度低，制冷效果好，储能系统工作时的制冷工作时长较别的季节短，但是在储能不运行时，还需要启动制热功能，保证储能电芯的工作温度。因此，在冬季和夏季的耗电量相对较大。根据项目经验，辅助设备能耗约占储能电站整体损耗的5%～8%。

某储能电池舱配置规模为2 MW/2 MWh，主要耗电设备包括空调、电池管理系统（BMS）、风扇、照明等，电池舱主要配置参数如表2所示。

现场试验中，储能电池舱配置规模仍为2 MW/2 MWh，储能系统运行方式为参与电网削峰填谷，运行工况为1 C充放电，循环次数为1次。配置冷暖空调2台，单台空调的最大制冷功率为17.5 kW，2台共35 kW，单台空调的最大制热功率为15 kW，2台共30 kW。当空调采用内循环方式运行时，单台空调的耗电量为2 kW，2台共4 kW。

根据现场试验结果，按照1 C运行工况执行1次完整的充放电循环，对于夏季场景，空调需要以制冷方式运行约4 h，耗电量为4 h × 35 kW=140 kWh，其余时间为内循环方式，耗电量为20 h × 4 kW=80 kWh，总计为220 kWh。

对于冬季场景，制热需要额外消耗一部分电量，假定储能电池舱可近似为一绝热系统，电池的发热也会将制冷时间降低，因此，可认为耗电量和夏季的情况大致相同。总的来说，夏季、冬季的耗电量大于春季、秋季的耗电量。

其他用电设备包括电池管理系统（BMS）、风扇（安装于每个电池模组）、照明灯等，供电容量最大约5 kW，考虑用电设备大部分时间不会同时满功率运行，如果同时系数按0.5考虑，则其他用电设备的全天耗电量约为5 kW × 24 h × 0.5=60 kWh。

可见，根据现场试验结果及其他用电设备耗电情况，夏季和冬季场景中，在假定运行方式和运行工况下（参与电网削峰填谷、1 C充放电、1次充放电循环），每天储能电池舱内的空调及其他用电设备耗电共约280 kWh。

储能电池在充放电的过程中存在能量损耗，以充电效率和放电效率来表征。储能电池的充放电效率主要受电池运行环境、充放电倍率影响，电池运行环境温度通常受舱内空调调控，一般处于合理的温度区间，充放电倍率是电池充放电效率的主要影响因素。如前文所述，在1 C倍率下，电池的充放电转换效率不小于92%，0.5 C倍率下，电池的充放电转换效率不小于94%。假定电池以1 C倍率进行充放电（如试验工况），电池的充放电转换效率约为92%（充电效率、放电效率各约96%）。

从以上分析可知，若进行一次完整的充放电循环，则约有8%的能量转换损耗，即充电能量为2 MWh，实际的放电容量为1.84 MWh，损耗能量约为160 MWh。

假定储能电池舱为一绝热系统，即不考虑外界温度的影响，则在充放电过程中产生的热量将由空调传导至舱外，以恢复舱内温度至合理水平。理论上说，空调的制冷量与电池产生的热量相当即可。本例中每台空调最大制冷功率为17.5 kW，制冷量约为40 kW，2台空调的制冷量约为80 kW。因此，若每天进行1次完整的充放电循环，产生的热量约为160 kWh，舱内空调运行2 h即可使舱内温度处于正常范围内，则理论上的空调全天耗电量为2 h × 35 kW+22 h × 4 kW=158 kWh。可见，理论上空调耗电与电池损耗基本相同，可以理解为储能电池运行过程中产生一定能量的热量，还需要几乎同等的能量才可以将这部分热量传导至舱体外。

当计算整个储能电站的能量损耗时，需在本节所讨论的储能电池舱能量损耗的基础上，考虑接入预制舱、总控预制舱、一体化电源预制舱以及PCS升压预制舱的主回路和辅助设备产生的能量损耗，由于本节已计入储能电池舱内的辅助设备能耗，故再叠加3%~6%的损耗率即可估计储能电站的整体能量损耗。

结合现场试验结果和本节分析之间的差异性可知，储能站内的能耗不能仅通过某次试验获得，需要进行长期的能耗数据统计，同时与理论分析进行比对，才能获得储能站真实的能耗情况。

1）从储能电站的角度给出了能耗计算中需考虑的主要因素。

2）将储能电站的能耗分为2个方面，储能系统自身的损耗和辅助设备运行的损耗，并分别给出了能耗的计算方法及效率值的选取方法。

3）以配置规模为2 MW/2 MWh的储能电池预制舱为计算算例，在典型运行方式下计算了全天运行能耗，并与现场试验结果进行了对比分析。

4）指出储能电站的长期能耗水平难以通过某次试验获得，需进行长期的能耗数据统计，并与理论计算进行比对，才能获得储能电站的真实能耗。