Как посчитать ёмкость накопителя
Формула выглядит как «мощность умножить на часы». На этом месте ошибаются почти все, потому что между расчётной энергией и купленной ёмкостью стоят три поправки, и каждая из них поднимает цифру.
Шаг первый: сколько энергии надо отдать
Начинаем с нагрузки. Не с той, что написана на щите, а с той, что реально потребляется. Разница между установленной и фактической мощностью на предприятии обычно двукратная.
Пример: критичная нагрузка 150 киловатт, продержаться надо четыре часа. Полезная энергия равна 600 киловатт-часам. Это то, что должно выйти из батареи и дойти до потребителя. Купить придётся больше.
Шаг второй: три поправки
Глубина разряда
Батарею не разряжают в ноль: это убивает ресурс и лишает системы аварийного запаса. Рабочая глубина для промышленных LiFePO4 — 90 %. Значит, доступно только девять десятых номинала.
Коэффициент полезного действия
Энергия теряется при преобразовании из постоянного тока в переменный и в самой батарее. Для современных высоковольтных систем берём 95 % на разряде.
Ток разряда
Самая забываемая поправка. Батарея не может отдавать мощность быстрее определённого предела без ущерба для ресурса. Промышленная норма — 0,5C, то есть полный разряд не быстрее двух часов.
Из этого следует жёсткое правило: ёмкость не может быть меньше удвоенной мощности разряда, даже если по энергии хватило бы меньшей.
Ёмкость = максимум из двух величин:
1) Мощность × Часы ÷ (0,9 × 0,95)
2) Мощность ÷ 0,5
Для нашего примера: 150 × 4 ÷ 0,855 = 702 кВт·ч. Второе условие даёт 300 кВт·ч. Берём большее — 702 кВт·ч.
Шаг третий: округление до модулей
Ёмкость набирается модулями, чаще всего по 5,12 киловатт-часа. Делим 702 на 5,12, получаем 137,1 — округляем вверх до 138 модулей, итого 706,6 киловатт-часа.
Дальше модули собираются в стойки, стойки — в шкафы. На этом этапе конфигурация начинает зависеть от конкретного оборудования, и абстрактный расчёт заканчивается.
Когда работает второе условие
Правило про 0,5C кажется теоретическим, пока не встретишь задачу с коротким мощным пиком. Смотрите разницу.
| Задача | По энергии | По току 0,5C | Итог |
|---|---|---|---|
| 150 кВт на 4 часа | 702 кВт·ч | 300 кВт·ч | 702 кВт·ч |
| 150 кВт на 1 час | 175 кВт·ч | 300 кВт·ч | 300 кВт·ч |
| 500 кВт на 15 минут | 146 кВт·ч | 1 000 кВт·ч | 1 000 кВт·ч |
Третья строка показательна. Задача звучит скромно — продержать полмегаватта пятнадцать минут, — а система выходит на мегаватт-час. Именно поэтому короткие мощные пики стоят непропорционально дорого, и мы предупреждаем об этом до того, как считать бюджет.
Пятнадцать минут на пятистах киловаттах стоят дороже, чем четыре часа на ста пятидесяти.
Четыре ошибки, которые дорого стоят
- Считать по установленной мощности. Сумма шильдиков всегда больше реального потребления. Нужен профиль с прибора учёта, а не паспорта оборудования.
- Забыть пусковые токи. Двигатели при прямом пуске берут в 5–7 раз больше номинала. Это влияет не на ёмкость, а на мощность преобразователя, но забывают об этом одинаково часто.
- Не учесть собственные нужды. Охлаждение шкафа, подогрев зимой, электроника контроллера съедают 1–3 % ёмкости в сутки.
- Игнорировать деградацию. Через десять лет система отдаст на 20 % меньше. Если ёмкость посчитана впритык, к концу срока задача перестанет выполняться.
Запас на деградацию
Здесь возможны два подхода, и оба честные.
Заложить запас сразу. Берём на 20 % больше расчётной ёмкости, и система выполняет задачу все пятнадцать лет. Дороже на старте, спокойнее потом.
Расширить позже. Ставим по расчёту, а через 8–10 лет добавляем модули. Дешевле на старте, но требует, чтобы место и мощность преобразователя были зарезервированы в проекте.
Мы обычно рекомендуем второй вариант с оговоркой: резерв места и запас по преобразователю закладываются обязательно, иначе расширение превратится в новый проект.
Если поставщик выдал ёмкость, равную мощности, умноженной на часы, без поправок — расчёт неверен примерно на 17 %. Если при этом мощность разряда больше половины ёмкости, система будет работать на токе выше 0,5C и потеряет ресурс раньше срока.
Короткие ответы
Почему нельзя разряжать батарею полностью?
Технически можно, BMS это допустит. Но ресурс при глубине разряда 100 % падает почти вдвое по сравнению с 90 %, а выигрыш в доступной энергии всего 11 %. Плюс полностью разряженная система не имеет аварийного запаса: если сеть не вернётся, у вас не останется ничего. Промышленный стандарт — 80–90 %.
Что важнее: ёмкость или мощность преобразователя?
Это два независимых параметра, и подбираются они отдельно. Мощность преобразователя определяет, сколько киловатт система отдаст в моменте, ёмкость — как долго. Ошибка бывает в обе стороны: мощный преобразователь на маленькой батарее посадит её за двадцать минут, а большая батарея со слабым инвертором не закроет пик.
Как учитывать пусковые токи двигателей?
По перегрузочной способности преобразователя, а не по ёмкости батареи. Промышленные PCS держат 150–200 % номинала несколько секунд, чего хватает для большинства прямых пусков. Если на объекте тяжёлые пуски, в проект закладывается либо запас по мощности, либо устройства плавного пуска — считаем это до заказа оборудования.
Можно ли добавить ёмкость через несколько лет?
Да, если архитектура модульная и это заложено в проекте. Есть нюанс: новые модули имеют полную ёмкость, старые уже деградировали, и BMS выравнивает систему по слабейшему. Поэтому расширение лучше делать до того, как разброс станет большим, — обычно в первые пять-семь лет.