Как выбрать ёмкость и мощность промышленного накопителя

У накопителя два независимых параметра. Мощность в киловаттах определяется задачей: сколько нужно отдать одновременно. Ёмкость в киловатт-часах — длительностью: как долго эту мощность держать. Отношение первого ко второму и есть та самая «C» из характеристик. Ошибка в любом из двух чисел даёт либо батарею, которая не справляется, либо оплаченную ёмкость, которая стоит без дела. Ниже — порядок выбора с расчётами.

Мощность: от задачи

Мощность накопителя ограничена двумя устройствами — силовым преобразователем и самой батареей; работает меньшее из двух чисел. Сколько киловатт нужно, зависит от того, зачем накопитель ставят.

• Срез пиков. Наибольшее превышение нагрузки над потолком, который вы хотите удержать. Его ищут по годовому почасовому профилю, а не по «типичному дню»: потолок должен устоять и в худший день.
• Резерв. Сумма мощностей нагрузок, которые должны остаться в работе, плюс запас на пусковые токи двигателей. Перегрузочную способность преобразователя смотрят в паспорте.
• Сдвиг потребления по времени. Объём переносимой энергии, делённый на часы разряда. Здесь важна и мощность заряда: батарея должна успеть наполниться за дешёвые часы.
• Работа с солнечной станцией. Излишек мощности станции над нагрузкой в те часы, когда он возникает.

Если задач несколько, берут наибольшее из полученных чисел — при условии, что задачи не выполняются одновременно.

Ёмкость: от длительности

Сначала считают полезную энергию — ту, что накопитель должен реально отдать. Для резерва это мощность, умноженная на время: 60 кВт на два часа — 120 кВт·ч. Для среза пиков — сумма превышений за самый тяжёлый день: если нагрузка превышает потолок на 50, 80, 30, 60 и 20 кВт по часу каждый раз, нужно 240 кВт·ч.

Затем полезную энергию пересчитывают в паспортную ёмкость. Между ними стоят три коэффициента.

1. Глубина разряда. Батарею не разряжают до нуля: система управления оставляет неприкосновенный остаток. Обычно доступно около 90 % паспортной ёмкости, точная цифра указана в паспорте.
2. Потери при разряде. Преобразователь, кабели и сама батарея теряют несколько процентов; в оценочном расчёте берут КПД разряда 0,95.
3. Старение. Ёмкость со временем снижается. Производитель в гарантии указывает остаточную ёмкость к концу срока — часто это 70–80 % от начальной. Накопитель должен выполнять задачу и в последний год, поэтому считать нужно на остаточную ёмкость.

Для 240 кВт·ч полезной энергии: 240 ÷ 0,9 ÷ 0,95 ≈ 281 кВт·ч — столько нужно от новой батареи. С учётом остаточной ёмкости 80 %: 281 ÷ 0,8 ≈ 351 кВт·ч. Разница в 70 кВт·ч — цена того, чтобы накопитель справлялся не только в первый год. Как связаны циклы, глубина разряда и годы, разобрано в статье о ресурсе аккумулятора.

Есть и четвёртая поправка, которую часто забывают, — собственные нужды. Охлаждение, обогрев и электроника накопителя потребляют энергию постоянно. При работе от сети это строка в счёте, а в автономном режиме — расход из той же батареи. Цифра есть в паспорте.

Что означают 0,5C и 1C

Число перед буквой C показывает, какую долю ёмкости батарея отдаёт за час. Батарея 200 кВт·ч на режиме 0,5C отдаёт 200 × 0,5 = 100 кВт и разряжается за два часа. На режиме 1C та же мощность 100 кВт получается от 100 кВт·ч, но всего на час.

Режим	Время полного разряда	Пример для 100 кВт	Для каких задач
0,25C	4 часа	100 кВт и 400 кВт·ч	длительный резерв, перенос солнечной энергии на вечер и ночь, работа в паре с дизелем на удалённой площадке
0,5C	2 часа	100 кВт и 200 кВт·ч	срез пиков шириной в несколько часов, сдвиг по зонам суток, резерв на час-два
1C	1 час	100 кВт и 100 кВт·ч	короткие высокие пики, резерв до запуска генератора

Допустимый режим — свойство конкретной батареи: его задаёт производитель, и превышать его система управления не позволит. Чем выше ток, тем больше тепла выделяют ячейки и тем серьёзнее должно быть охлаждение, поэтому батареи для режима 1C устроены сложнее. Допустимые токи заряда и разряда могут различаться — в паспорте это две отдельные строки.

Отсюда правило, которое экономит деньги: проверяйте, что определяет размер батареи — энергия или мощность.

• Нужно 100 кВт на 20 минут, то есть около 33 кВт·ч. Батарея на 0,5C должна быть не меньше 200 кВт·ч, иначе она не выдаст эти 100 кВт. Размер задан мощностью, большая часть ёмкости окажется «лишней». Здесь оправдана батарея на 1C.
• Нужно 50 кВт на четыре часа, то есть 200 кВт·ч. Это режим 0,25C. Система на 1C с преобразователем 200 кВт будет переплатой за мощность, которая не понадобится.

Проверка: успеет ли батарея зарядиться

Отданную энергию нужно вернуть. При КПД полного цикла 88 % на 240 кВт·ч отданной энергии потребуется 240 ÷ 0,88 ≈ 273 кВт·ч из сети. За шесть ночных часов это около 45 кВт дополнительной нагрузки. Проверяют три вещи: не создаёт ли заряд нового пика, хватает ли на него мощности ввода и трансформатора и не попадает ли он в дорогие часы.

Если пиков два — утренний и вечерний, — между ними батарею нужно успеть подзарядить, не превысив потолок. Когда «окна» для заряда нет, ёмкость считают на оба пика сразу.

Пример подбора

Предприятие хочет удерживать потолок 400 кВт и иметь резерв для критичной линии.

1. Срез пиков. По годовому профилю наибольшее превышение — 80 кВт, энергия превышений в худший день — 240 кВт·ч.
2. Резерв. Критичная нагрузка 60 кВт, нужно продержаться 30 минут до запуска генератора: 60 × 0,5 = 30 кВт·ч. Эта часть заряда в повседневной работе не тратится.
3. Полезная энергия. 240 + 30 = 270 кВт·ч.
4. Паспортная ёмкость. 270 ÷ 0,9 ÷ 0,95 ÷ 0,8 ≈ 395 кВт·ч.
5. Мощность. Наибольшее из 80 и 60 кВт — 80 кВт; с запасом на пусковые токи берём преобразователь 100 кВт.
6. Режим. 100 ÷ 395 ≈ 0,25C. Подойдёт любая батарея с допустимым режимом от 0,25C; платить за 1C незачем.
7. Заряд. 273 кВт·ч за ночь, около 45 кВт — проходит.

Итог: накопитель класса 100 кВт и 400 кВт·ч. Это несколько шкафов из раздела коммерческих систем накопления; при потребности в мегаватт-часах переходят к контейнерному исполнению.

Какие данные нужны для расчёта

• Почасовой профиль потребления за 12 месяцев — 8 760 значений из системы учёта или от поставщика.
• Счета с расшифровкой: ценовая категория, как считается плата за мощность, цены по часам или зонам.
• Максимальная мощность по документам о присоединении, номинал вводного автомата, мощность трансформатора.
• Перечень критичных нагрузок с мощностью и способом пуска двигателей.
• Журнал отключений сети: сколько раз и на сколько.
• Однолинейная схема и место, где можно поставить оборудование.
• Параметры солнечной станции, если она есть или планируется.
• Планы роста нагрузки на ближайшие годы.

С этим набором расчёт делается за один заход; его можно приложить к заявке на расчёт. Без почасового профиля любой подбор — угадывание.

Типичные ошибки

• Путать киловатты и киловатт-часы. «Накопитель на 200» ничего не значит, пока не названа единица.
• Считать по среднему дню. Потолок будет пробит в первый же тяжёлый день. Как это выглядит по часам, показано в статье о срезании пиков.
• Не закладывать старение. Система, подобранная «впритык» по новой ёмкости, через несколько лет перестанет справляться.
• Тратить резерв на экономию. Если неснижаемый остаток не задан, к моменту аварии батарея может оказаться пустой. Как делят работу батарея и генератор, описано в статье о резервном питании предприятия.
• Забывать про заряд. Мощность заряда складывается с нагрузкой предприятия и может сама упереться в ввод.

Частые вопросы

Стоит ли брать ёмкость с большим запасом?

Запас на старение — обязательно, он уже в формуле. Запас «на всякий случай» сверх него — это деньги, которые не работают. Если ожидается рост нагрузки, лучше выбрать систему с возможностью добавить шкафы и уточнить у производителя условия расширения.

Что будет, если нагрузка превысит мощность накопителя?

В параллельной работе с сетью недостающее возьмётся из сети, и потолок будет превышен. В автономном режиме преобразователь уйдёт в перегрузку и отключится. Поэтому для резерва мощность считают с запасом, а неответственные нагрузки автоматически отключают.

Можно ли использовать всю паспортную ёмкость?

Нет. Доступную долю ограничивает система управления батареей, чтобы не допускать глубокого разряда и перезаряда. В расчёт берут полезную ёмкость из паспорта, а не число с шильдика.

Влияет ли температура на выбор?

Влияет на исполнение, а не на формулу: уличный шкаф или контейнер должен иметь охлаждение и обогрев под климат площадки. Заряжать LiFePO4 при отрицательной температуре ячеек нельзя, поэтому зимой часть энергии уходит на обогрев.