一种储能电站综合效率的优化计算方法与流程

1.本发明属于储能电站的运行评估与数据计算技术领域，具体涉及一种储能电站综合效率的优化计算方法。


背景技术：

2.综合效率是大型储能电站的关键性技术指标，其计算基于储能电站系统内各子系统和组成设备的效率。储能电站综合效率的定义为：在评价周期内，储能电站生产运行过程中上网电量与下网电量的比值；因此，综合效率是储能电站储能损耗率、站用电率、变配电损耗率以及储能单元充放电能量效率等指标的一个综合评定指标。
3.综合效率的测量点应是并网点，计算公式可具体为：综合效率＝放电电量/(充电容量+所有辅助控制电源)*100，辅助控制电源可包含如电池冷却系统和监控系统等设备。综合效率反映的是储能电站的运维成本和经济性指标，是对储能电站和系统所有设备性能和集成水平的综合考评标准，也是储能项目建设时，经济性评价及投资决策的重要基础。储能电站综合效率要经过严格的技术理论计算，避免在项目投运时离承诺值差别很大造成较大的罚款。
4.磷酸铁锂储能电站综合效率的传统计算公式如下：
[0005][0006]
上式中，ηi包括电池系统效率、pcs效率、升压变压器效率、主变压器效率和电缆线路充放电效率；各设备分别计算后的效率进行连乘从而获得综合效率结果，n代表设备总数，例如某次计算只包括上述5个部分的效率计算时，则n＝5； rs为储能电站自用电效率(包含电池冷却系统和监控系统等)。
[0007]
在应用上述传统计算公式进行综合效率的计算时，电池系统效率和pcs效率由生产厂家保证和提供，储能电站自用电率由负荷计算并确定；但升压变压器效率、主变压器效率和电缆线路充放电效率在传统计算时均只考虑了额定容量稳态连续负载的情况，如下述实际过程中，由于各变压器、电缆等由于导体绝缘热阻和热容的影响，导体存在一个从环境温度升温到稳态温度的暂态过程，此时导体电阻和损耗也随之存在一个逐渐增大的过程；该暂态过程持续时间一般按小时计，由于磷酸铁锂储能电站作为能量型储能电站，充放电时间通常为2小时，因此暂态过程的持续时间相对于充放电持续时间不能忽略，这正是传统的储能电站综合效率计算方法中存在的不足之处，导致计算结果与实际相比存在误差；由于储能电站综合效率计算结果对经济效益分析有重要影响，因此传统计算方法可能导致生产效益的评估产生较大错误，影响后续生产及发展进程。


技术实现要素：

[0008]
为了使储能电站综合效率的计算过程更准确，避免背景技术中的不足之处，本发
明充分考虑了导体绝缘热阻、热容的影响，在计算储能电站综合效率时计入升压变压器效率、电缆线路效率和主变压器效率中的暂态特性，从而提出了一种储能电站综合效率的优化计算方法，来实现计算结果更准确，更实际的效果。
[0009]
本发明采用了以下技术方案来实现目的：
[0010]
一种储能电站综合效率的优化计算方法，分别计算升压变压器效率、主变压器效率和电缆线路效率对应的损耗优化系数，根据损耗优化系数的计算结果，同时忽略升压变压器效率和主变压器效率计算过程中的空载损耗，得出综合效率η的优化计算公式为：
[0011][0012]
上式中，ηi为电池系统效率和pcs效率；rs为储能电站自用电效率；序数m 为电池系统和pcs的设备总数；ηj为升压变压器、主变压器和电缆线路在额定工况时的效率；kj为升压变压器、主变压器和电缆线路分别对应的损耗优化系数；序数n为升压变压器、主变压器和电缆线路的设备总数；i、j为连乘序号数。
[0013]
具体的，所述损耗优化系数用于量化反映升压变压器、主变压器和电缆线路在从环境温度升温到稳态温度的暂态过程中，导体的电阻和损耗也随之逐渐增大的过程。
[0014]
进一步的，所述计算升压变压器效率的损耗优化系数中，所述升压变压器为干式升压变压器，计算损耗优化系数具体包括：计算变压器额定容量时的负载损耗，单位为kw；计算不同温度下变压器原副边绕组的总电阻，单位为ω；计算变压器绕组的平均温升，单位为k；根据上述计算结果，得出升压变压器效率实际计算时所需的负载损耗公式，从而依据公式计算结果得出升压变压器效率的损耗优化系数。
[0015]
进一步的，所述计算变压器额定容量时的负载损耗p
kn
，公式为：
[0016][0017]
上式中，i
1n
为原边绕组的额定相电流，i
2n
为副边绕组的额定相电流，单位均为a；r
1n
为额定工况下原边绕组的总电阻，r
2n
为额定工况下副边绕组的总电阻，单位均为ω。
[0018]
进一步的，所述计算不同温度下变压器原副边绕组的总电阻r，即r
1n
和r
2n
分别的计算方法，采用的计算公式为：
[0019]
r＝r0[1+3.93
×
10-3
(θ-20)]
[0020]
上式中，r0为电阻温度为20℃时的阻值；θ为电阻实际温度；将r
1n
和r
2n
分别对应的r0值代入后可得出变压器原副边绕组的总电阻r。
[0021]
进一步的，所述计算变压器绕组的平均温升，包括：
[0022]
计算连续负载时的绕组热点温升δθ
hsn
，公式为：
[0023][0024]
上式中，δθ
wr
为干式升压变压器额定负载下的绕组平均温升，单位为k；in为给定的负载率；
[0025]
计算暂态负载时的绕组热点温升δθ
t
，公式为：
[0026]
[0027]
上式中，δθ
t
为负载变化t时间后的温升；δθi为某负载率in开始时的起始温升；δθu为负载率in不发生变化情况下的最终温升，即连续负载时的温升δθ
hsn
，温升的单位均为k；τ为给定负载下绕组的时间常数；t为时间，时间常数和时间的单位均为min。
[0028]
进一步的，基于所述计算变压器额定容量时的负载损耗p
kn
、所述不同温度下变压器原副边绕组的总电阻r，结合所述计算暂态负载时的绕组热点温升，取δθu值为80k、取δθi值为20k，取τ值为90min、取实际充放电时间为120min，得出升压变压器效率实际计算时所需的负载损耗p
k1
，公式为：
[0029][0030]
依据公式计算结果得出升压变压器效率的损耗优化系数值k1为0.868。
[0031]
进一步的，结合升压变压器实际负载损耗的计算过程中额定容量时的负载损耗p
kn
和不同温度下变压器原副边绕组的总电阻r，所述主变压器效率的损耗优化系数计算具体为，所述主变压器包括油浸式变压器，计算主变压器绕组暂态负载时的绕组热点温升，公式为：
[0032][0033]
上式中，θ
w0
为绕组对油的稳态温差；θ0为油的稳态温升，温升单位均为k；τw为绕组的热时间常数，τ0为油的热时间常数，热时间常数单位均为min。
[0034]
进一步的，结合所述计算主变压器绕组暂态负载时的绕组热点温升，取θ
w0
值为25k、取θ0值为40k、取主变压器绕组平均温升值为65k、取τw值为5min、取τ0值为90min，得出主变压器效率实际计算时所需的负载损耗p
k2
，公式为：
[0035][0036]
依据公式计算结果得出主变压器效率的损耗优化系数值k2为0.928。
[0037]
进一步的，结合升压变压器实际负载损耗的计算过程中额定容量时的负载损耗p
kn
和不同温度下变压器原副边绕组的总电阻r，所述电缆线路效率的损耗优化系数计算具体为，计算电缆线路的暂态温升，公式为：
[0038][0039]
qc＝i2rc[0040]
上式中，qc为单位长度电缆三相导体总损耗，单位为w/m；rc为电缆导体单位长度电阻，单位为ω/m；τ为电缆系统热时间常数，单位为min；θ0为周围环境温度；r为电缆系统含外部土壤或空气的热阻；
[0041]
取θ0值为20k，此时电缆最高温升取70℃、取τ值为240min，结合升压变压器实际负载损耗的计算过程中额定容量时的负载损耗p
kn
和不同温度下变压器原副边绕组的总电阻r，得出电缆线路效率实际计算时所需的负载损耗p
k3
，公式为：
[0042][0043]
依据公式计算结果得出电缆线路效率的损耗优化系数值k3为0.83。
[0044]
综上所述，由于采用了本技术方案，本发明的有益效果如下：
[0045]
在充分考虑了储能电站实际运行过程中由于导体绝缘热阻、热容的影响，储能站变压器、电缆等的导体存在一个从环境温度升温到稳态温度的暂态过程，采用本发明的计算方法，在计算储能电站综合效率时，计入升压变压器、电缆线路和主变压器等暂态特性对其结果的影响，能使计算结果更准确，传统的计算结果值在未考虑相关影响的情况下存在偏低的情况；结合实际计算数据，采用本发明的计算方法，储能电站的综合效率计算结果提升较为明显，从而为储能项目建设的经济性评价及投资决策提供更准确的参考价值。
具体实施方式
[0046]
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处描述和示出的本发明实施例的组件可以按各种不同的配置来布置和设计。
[0047]
因此，以下对本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0048]
实施例1
[0049]
一种储能电站综合效率的优化计算方法，分别计算升压变压器效率、主变压器效率和电缆线路效率对应的损耗优化系数，根据损耗优化系数的计算结果，同时忽略升压变压器效率和主变压器效率计算过程中的空载损耗，得出综合效率η的优化计算公式为：
[0050][0051]
上式中，ηi为电池系统效率和pcs效率；rs为储能电站自用电效率；序数m 为电池系统和pcs的设备总数；ηj为升压变压器、主变压器和电缆线路在额定工况时的效率；kj为升压变压器、主变压器和电缆线路分别对应的损耗优化系数；序数n为升压变压器、主变压器和电缆线路的设备总数；i、j为连乘序号数。
[0052]
本实施例中，储能电站为磷酸铁锂储能电站，作为能量型储能电站，目前充放电时间一般为2小时。电池系统、pcs效率由生产厂家保证和提供，自用电率由负荷计算确定。而变压器、电缆等由于导体绝缘热阻、热容的影响，其导体存在一个从环境温度升温到稳态温度的暂态过程，此时导体电阻和损耗也随之存在一个逐渐增大的过程。该暂态过程持续时
间一般按小时计，相对充放电持续时间不能忽略，故对升压变压器、主变压器、电缆线路的损耗和效率可结合暂态温升进行优化计算；引入的损耗优化系数即用于量化反映升压变压器、主变压器和电缆线路在从环境温度升温到稳态温度的暂态过程中，导体的电阻和损耗也随之逐渐增大的过程。
[0053]
计算升压变压器效率的损耗优化系数中，升压变压器为干式升压变压器，计算损耗优化系数具体包括：计算变压器额定容量时的负载损耗，单位为kw；计算不同温度下变压器原副边绕组的总电阻，单位为ω；计算变压器绕组的平均温升，单位为k；根据上述计算结果，得出升压变压器效率实际计算时所需的负载损耗公式，从而依据公式计算结果得出升压变压器效率的损耗优化系数。
[0054]
变压器额定效率计算公式为：
[0055][0056]
式中：sn为变压器额定容量(kva)；为变压器二次侧功率因数；p0为变压器空载损耗(kw)；p
kn
为变压器额定容量时负载损耗(kw)。
[0057]
变压器的空载损耗包括铁芯材料的磁滞损耗、涡流损耗以及附加损耗几部分，一般不随负载率变化而变化，因此在本实施例的优化计算方法中，由于充分考虑了暂态过程的计算，空载损耗计算可以忽略不计，为计算减轻了负担；负载损耗是主要计算对象，主要是指基本铜损，漏磁场引起的附加损耗比例很小。
[0058]
计算变压器额定容量时的负载损耗p
kn
，公式为：
[0059][0060]
上式中，i
1n
为原边绕组的额定相电流，i
2n
为副边绕组的额定相电流，单位均为a；r
1n
为额定工况下原边绕组的总电阻，r
2n
为额定工况下副边绕组的总电阻，单位均为ω。
[0061]
计算不同温度下变压器原副边绕组的总电阻r，即r
1n
和r
2n
分别的计算方法，采用的计算公式为：
[0062]
r＝r0[1+3.93
×
10-3
(θ-20)]
[0063]
上式中，r0为电阻温度为20℃时的阻值；θ为电阻实际温度；将r
1n
和r
2n
分别对应的r0值代入后可得出变压器原副边绕组的总电阻r。
[0064]
根据gb/t1094.12，b级温升变压器绕组平均温升计算公式如下，包括：
[0065]
计算连续负载时的绕组热点温升δθ
hsn
，公式为：
[0066][0067]
上式中，δθ
wr
为干式升压变压器额定负载下的绕组平均温升，单位为k；in为给定的负载率；
[0068]
计算暂态负载时的绕组热点温升δθ
t
，公式为：
[0069][0070]
上式中，δθ
t
为负载变化t时间后的温升；δθi为某负载率in开始时的起始温升；δθu为负载率in不发生变化情况下的最终温升，即连续负载时的温升δθ
hsn
，温升的单位均为k；τ为给定负载下绕组的时间常数；t为时间，时间常数和时间的单位均为min。
[0071]
热时间常数τ的物理意义是：变压器温升的变化量由零达到总温升量的63.2％所用的时间。对自然风冷干变不同负载和起始温度时应进行修正，此时无需修正。额定负载下的时间常数τr可采用计算取得，也可采用试验取得，对于800kva到 1600kva容量的变压器，取为90min时计算结果趋于保守。
[0072]
综上分析可见，基于所述计算变压器额定容量时的负载损耗p
kn
、所述不同温度下变压器原副边绕组的总电阻r，结合所述计算暂态负载时的绕组热点温升，取δθu值为80k、取δθi值为20k，取τ值为90min、取实际充放电时间为120min，得出升压变压器效率实际计算时所需的负载损耗p
k1
，公式为：
[0073][0074][0075]
依据公式计算结果得出升压变压器效率的损耗优化系数值k1为0.868。
[0076]
其中δθi保守计算可按gb/t1094.11的最高年平均温度取20℃。
[0077]
结合升压变压器实际负载损耗的计算过程中额定容量时的负载损耗p
kn
和不同温度下变压器原副边绕组的总电阻r，所述主变压器效率的损耗优化系数计算具体为，主变压器包括油浸式变压器，油浸式变压器有两个热时间常数，绕组的热时间常数和油的热时间常数，分别反映绕组绝缘纸和变压器油的温升特性。
[0078]
计算主变压器绕组暂态负载时的绕组热点温升，公式为：
[0079][0080]
上式中，θ
w0
为绕组对油的稳态温差；θ0为油的稳态温升，温升单位均为k；τw为绕组的热时间常数，τ0为油的热时间常数，热时间常数单位均为min。
[0081]
结合所述计算主变压器绕组暂态负载时的绕组热点温升，取θ
w0
值为25k、取θ0值为40k、按gb/t1094.7取主变压器绕组平均温升值为65k、取τw值为 5min、取τ0值为90min，得出主变压器效率实际计算时所需的负载损耗p
k2
，公式为：
[0082][0083]
依据公式计算结果得出主变压器效率的损耗优化系数值k2为0.928。
[0084]
紧接着进行计算电缆线路的暂态温升，结合升压变压器实际负载损耗的计算过程中额定容量时的负载损耗p
kn
和不同温度下变压器原副边绕组的总电阻r，电缆线路效率的损耗优化系数计算具体为，计算电缆线路的暂态温升，根据热平衡原理，电缆上通过电流为i的恒定负载时，通过求解微分方程可以得到下列暂态温升公式，公式为：
[0085]
[0086]
qc＝i2rc[0087]
上式中，qc为单位长度电缆三相导体总损耗，单位为w/m；rc为电缆导体单位长度电阻，单位为ω/m；τ为电缆系统热时间常数，单位为min；θ0为周围环境温度；r为电缆系统含外部土壤或空气的热阻；
[0088]
同样考虑充放电时间均为2小时，暂态过程时，取θ0值为20k，此时电缆最高温升取70℃、取电缆系统热时间常数τ值为240min，结合升压变压器实际负载损耗的计算过程中额定容量时的负载损耗p
kn
和不同温度下变压器原副边绕组的总电阻r，得出电缆线路效率实际计算时所需的负载损耗p
k3
，公式为：
[0089][0090]
依据公式计算结果得出电缆线路效率的损耗优化系数值k3为0.83。
[0091]
完成上述计算并得出k1、k2、k3各值后，即对应升压变压器、主变压器和电缆线路分别的损耗优化系数，代入综合效率η的优化计算公式，可最终得出优化计算后的综合效率结果。
[0092]
实施例2
[0093]
在实施例1的基础上，本实施例采用实施例1的方法进行的计算结果数据示例如下：
[0094]
对103mw/206mwh的磷酸铁锂储能电站综合效率进行计算。
[0095]
当升压变压器选用不同容量的自然风冷干式变压器时，优化前的综合效率计算结果如下表：
[0096]
表1 储能电站综合效率优化前计算表
[0097]
序号设备名称充电效率放电效率综合效率1电池系统97.00％97.00％94.09％2pcs98.40％98.40％96.83％3升压变压器99.00％99.00％98.01％4线路损耗99.00％99.00％98.01％5辅助用电损耗98.55％98.55％97.12％6主变99.65％99.65％99.30％7总效率91.87％91.87％84.40％
[0098]
表1中变压器效率及线路效率均为持续运行工况时的效率。按暂态温升修正后综合效率计算如下表2所示。例如升压变压器优化后效率计算为： 1-(1-99％)*0.868＝99.13％。
[0099]
表2 储能电站综合效率优化后计算表
[0100]
序号设备名称充电效率放电效率综合效率1电池系统97.00％97.00％94.09％2pcs98.40％98.40％96.83％3升压变压器99.13％99.13％98.27％
4线路损耗99.13％99.13％98.27％5辅助用电损耗98.55％98.55％97.12％6主变99.68％99.68％99.35％7总效率92.14％92.14％84.89％
[0101]
结合该储能电站计算结果表明，采用本发明的计算方法，该储能电站的综合效率提升了0.49％，即便是此数值的提升率，但作为综合效率而言，对于大型储能电站的效益分析及发展能起到积极作用，对于储能电站综合效率的计算准确性结果而言，提升效果较为明显。