淺談戶(hù)外儲(chǔ)能柜系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和應(yīng)用

摘要：要介紹了用戶(hù)側(cè)某型商業(yè)儲(chǔ)能柜總體設(shè)計(jì)及整機(jī)理論熱計(jì)算和對(duì)應(yīng)的散熱方案，并結(jié)合戶(hù)外的使用環(huán)境，設(shè)計(jì)了可滿(mǎn)足IP54級(jí)的整機(jī)防塵、防水結(jié)構(gòu)，使其在能保證整機(jī)滿(mǎn)功率運(yùn)行條件下散熱的同時(shí)，滿(mǎn)足項(xiàng)目所處環(huán)境的防護(hù)需求。

關(guān)鍵詞：新型儲(chǔ)能，工商業(yè)儲(chǔ)能，儲(chǔ)能柜，系統(tǒng)散熱，防護(hù)結(jié)構(gòu)

0引言

2022年1月，發(fā)展改革委、能源局聯(lián)合發(fā)布的《“十四五"新型儲(chǔ)能發(fā)展實(shí)施方案》指出：新型儲(chǔ)能是構(gòu)建新型電力系統(tǒng)的重要技術(shù)和基礎(chǔ)裝備，是實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰、碳中和目標(biāo)的重要支撐。目前,面向電源側(cè)的MW、CW級(jí)大型儲(chǔ)能已初具規(guī)模,在提高風(fēng)電與光伏等可再生能源的電能質(zhì)量、電力調(diào)峰、電力緊急響應(yīng)等方面發(fā)揮了巨大作用。

基于此，在用戶(hù)側(cè)，隨著光伏、新能源汽車(chē)設(shè)備充放電需求的增加,風(fēng)光等多種分布式能源從低壓側(cè)接人電網(wǎng)，電能質(zhì)量差、區(qū)域電網(wǎng)重過(guò)載、電動(dòng)汽車(chē)充電難等問(wèn)題日益突出。一體化商業(yè)儲(chǔ)能柜并入電網(wǎng)可有效解決區(qū)域電網(wǎng)存在的問(wèn)題,同時(shí)可以節(jié)省配電基礎(chǔ)設(shè)施投資，具有削峰填谷、峰谷電價(jià)套利的優(yōu)勢(shì)[2],因此,可靠的設(shè)計(jì)防護(hù)以及安全穩(wěn)定的運(yùn)行是商業(yè)儲(chǔ)能柜產(chǎn)品面臨的一大挑戰(zhàn)。本文以某型商業(yè)儲(chǔ)能柜總體設(shè)計(jì)為背景，介紹整機(jī)系統(tǒng)散熱和理論計(jì)算以及柜體結(jié)構(gòu)上的設(shè)計(jì)防護(hù)，以保障商業(yè)儲(chǔ)能柜在實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景中的安全可靠性。

1商業(yè)儲(chǔ)能柜總體設(shè)計(jì)與系統(tǒng)散熱設(shè)計(jì)

某項(xiàng)目商業(yè)儲(chǔ)能柜的功率和容量需求如下：100kWl215kWh,直流側(cè)容量為215kWh。其中,電池采用LFP(磷酸鐵鋰)電池，項(xiàng)目總體采用模塊化設(shè)計(jì)思路，電池系統(tǒng)采用簇方式進(jìn)行集成，簇中單個(gè)電池包1P20S，容量為17.92kWh,根據(jù)總體容量可以確定電池艙所需電池包數(shù)量至少為12個(gè)，簇中集成了風(fēng)扇和內(nèi)部散熱風(fēng)道。根據(jù)電池包、高壓箱尺寸確定電池簇整體尺寸為：910mmx1002mmx2030mm(寬度×深度×高度）?？紤]到安裝空間和電池簇散熱空間,初步確定柜內(nèi)電池艙凈空間為：1040mmx1165mmx2325mm。電池簇如圖1所示。

根據(jù)項(xiàng)目需求,布置柜內(nèi)電氣艙設(shè)備-PCS、BMS、控制器、斷路器、接線(xiàn)端子、開(kāi)關(guān)、電源等，初步確定電氣艙凈空間為340mmx1002mmx2030mm（寬度x深度×高度）。儲(chǔ)能柜初版總體布置圖如圖2所示。

該項(xiàng)目為常規(guī)風(fēng)冷散熱方式，故采用工業(yè)壁掛空調(diào)對(duì)電池艙進(jìn)行冷卻散熱?？照{(diào)布置于柜體背部，采用上進(jìn)風(fēng)、下出風(fēng)的散熱方式，并設(shè)計(jì)獨(dú)立風(fēng)道，冷風(fēng)通過(guò)電池簇頂部自帶抽風(fēng)風(fēng)扇吸入電池簇內(nèi)部風(fēng)道，經(jīng)過(guò)與電池簇內(nèi)部電芯熱交換后，通過(guò)儲(chǔ)能柜柜體內(nèi)間隙經(jīng)空調(diào)回風(fēng)口負(fù)壓將熱風(fēng)排出柜外，達(dá)到散熱效果，具體結(jié)構(gòu)如圖3所示。

為提高儲(chǔ)能柜空間利用率，儲(chǔ)能柜體采用模塊化設(shè)計(jì)，柜體前后兩側(cè)面開(kāi)門(mén)，然后布置電池簇、空調(diào)風(fēng)道及電氣設(shè)備等。根據(jù)GB50016一2014（建筑設(shè)計(jì)防火規(guī)范）、GB50019一2015（工業(yè)建筑供暖通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計(jì)規(guī)范）、GB55036—2022（消防設(shè)施通用規(guī)范）、GB55037一2022(建筑防火通用規(guī)范)等強(qiáng)制標(biāo)準(zhǔn)[2-5],將柜體內(nèi)電池簇和設(shè)備艙分開(kāi)，中間設(shè)計(jì)防火隔墻，柜內(nèi)頂部布置空調(diào)風(fēng)道，柜內(nèi)側(cè)壁上布置消防探頭及滅火裝置、通風(fēng)格柵等。詳細(xì)設(shè)計(jì)需參考相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行，本文不詳細(xì)說(shuō)明。鑒于商業(yè)儲(chǔ)能柜設(shè)計(jì)的高集成性以及露天的使用條件,太陽(yáng)輻射和內(nèi)部電池自身放電釋放熱量,是影響電池艙和電氣艙的溫度調(diào)節(jié)的兩大因素，空調(diào)功率的選型需要滿(mǎn)足以上2個(gè)因素對(duì)電池艙內(nèi)的散熱需求。本文僅通過(guò)理論計(jì)算支持空調(diào)功率的選型，保證電池艙溫度可以控制在20~50℃范圍內(nèi),平均溫差不大于5℃,其詳細(xì)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及優(yōu)化本文不詳細(xì)說(shuō)明。

1.1儲(chǔ)能柜電池艙熱設(shè)計(jì)

整個(gè)儲(chǔ)能柜電池艙系統(tǒng)熱負(fù)荷主要由電池功耗發(fā)熱量和外部太陽(yáng)熱輻射熱量組成，其余接線(xiàn)端子、直流回路柜體背面 及控制系統(tǒng)的產(chǎn)熱易于估算,且占比較小,因此,較為準(zhǔn)確估算電池充放電過(guò)程中的功耗發(fā)熱量和外部熱輻射熱是一體機(jī)電池艙空調(diào)冷卻方案設(shè)計(jì)與選型的關(guān)鍵。

（1）電池充放電過(guò)程中的功耗發(fā)熱量Q1

根據(jù)電池廠家提供的電池包電芯參數(shù)，該項(xiàng)目使用的單電芯額定容量為280Ah，額定電壓為3.2V,電池總?cè)萘縀=240×280Ah=67200Ah,額定倍率n=0.5C,能量效率μ=95%,質(zhì)量為5.3kg，比熱容C=1000(J/kg·℃)，以額定倍率n=0.5C放電，溫升速率v=3.7(℃/h）,此處假設(shè)電芯能量損失均轉(zhuǎn)化為熱量釋放。在實(shí)際情況下，電池功耗發(fā)熱功率與電流的二次方成正比，但通常無(wú)法獲取電池的工作電流曲線(xiàn)，則此處按能量轉(zhuǎn)化效率損失完全轉(zhuǎn)化熱量進(jìn)行大值估算?？傻玫诫姵爻浞烹娺^(guò)程中的功耗發(fā)熱量Q1。Q為電池以0.5C倍率放電時(shí)釋放的熱量，對(duì)應(yīng)的發(fā)熱功率為：

由于儲(chǔ)能柜柜體結(jié)構(gòu)的特殊性，柜體墻板內(nèi)、外側(cè)一般為2mmQ235A鋼板，墻體中間為巖棉板和密封空氣，本項(xiàng)目戶(hù)外柜側(cè)墻、頂板及底板采用40mm巖棉層。其結(jié)構(gòu)主要材料導(dǎo)熱系數(shù)如表1所列。

根據(jù)GBT50176—2016(民用建筑熱工設(shè)計(jì)規(guī)范）柜體體圍護(hù)結(jié)構(gòu)需按照復(fù)合式結(jié)構(gòu)計(jì)算綜合導(dǎo)熱系數(shù)。根據(jù)理論計(jì)算公式，戶(hù)外柜柜體總的外部靜滲人熱量功率為：

（2）儲(chǔ)能柜電器艙熱設(shè)計(jì)

整個(gè)儲(chǔ)能一體機(jī)電器艙系統(tǒng)熱負(fù)荷主要為PCS設(shè)備功耗發(fā)熱量Q3根據(jù)PCS廠家提供的發(fā)熱量Q3=2kW、散熱通風(fēng)量467mh(CFM)及設(shè)備結(jié)構(gòu)形式,選擇合適的風(fēng)機(jī)進(jìn)行散熱。PCS設(shè)備及散熱風(fēng)向及柜內(nèi)結(jié)構(gòu)如圖4所示

根據(jù)以上計(jì)算結(jié)果查找對(duì)應(yīng)風(fēng)機(jī)的P-Q曲線(xiàn)(風(fēng)壓- 風(fēng)量曲線(xiàn)）,該項(xiàng)目選擇某型交流軸流風(fēng)機(jī),工作溫度范圍：-40~+65℃,大風(fēng)量為1020m/h,其P-Q曲線(xiàn)如圖5所示。由圖5可知，風(fēng)機(jī)工作點(diǎn)位于高流量、低風(fēng)壓理想?yún)^(qū)域（曲線(xiàn)后平緩區(qū)），可滿(mǎn)足實(shí)際散熱工況所需。

2柜體防護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

結(jié)合儲(chǔ)能一體機(jī)實(shí)際的使用工況，其戶(hù)外柜的防護(hù)等級(jí)一般要求需達(dá)到IP54及以上,根據(jù)GB4208一2008(外殼防護(hù)等級(jí))的要求[8],機(jī)柜需滿(mǎn)足防塵和防噴水,所以在滿(mǎn)足上述功能散熱的前提下，需同時(shí)設(shè)計(jì)IP54級(jí)柜體防護(hù)結(jié)構(gòu)

2.1柜體防水結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

該項(xiàng)目?jī)?chǔ)能柜柜體為框架式骨架結(jié)構(gòu),左右艙室前開(kāi)門(mén)，柜門(mén)四周與柜體間采用迷宮式防水結(jié)構(gòu)，同時(shí)在柜門(mén)四周周邊粘貼密封膠條使其與柜體完全貼合，并在柜門(mén)底部設(shè)計(jì)瀝水孔，外部水經(jīng)迷宮結(jié)構(gòu)后通過(guò)瀝水孔流出柜體外部，具體結(jié)構(gòu)如圖6所示。柜體焊縫及蒙皮板拼接處采用防水密封膠進(jìn)行密封，以保證柜體整體的防水效果。

2.2柜體防塵結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

基于散熱的功能需求,儲(chǔ)能柜柜體設(shè)計(jì)有進(jìn)、出風(fēng)口，在滿(mǎn)足散熱通風(fēng)面積的前提下，需要給進(jìn)、出風(fēng)口設(shè)計(jì)過(guò)濾結(jié)構(gòu)。該項(xiàng)目采用通用的格柵+不銹鋼網(wǎng)+防塵過(guò)濾網(wǎng)3層結(jié)構(gòu)進(jìn)行防護(hù)，其中，防塵網(wǎng)的過(guò)濾間隙可根據(jù)所需的IP等級(jí)進(jìn)行調(diào)整，以保證柜體整體的防塵效果。具體結(jié)構(gòu)如圖7 所示

3安科瑞Acrel-2000MG微電網(wǎng)能量管理系統(tǒng)

3.1概述

Acrel-2000MG儲(chǔ)能能量管理系統(tǒng)是安科瑞專(zhuān)門(mén)針對(duì)工商業(yè)儲(chǔ)能電站研制的本地化能量管理系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)了儲(chǔ)能電站的數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)查詢(xún)與分析、可視化監(jiān)控、報(bào)警管理、統(tǒng)計(jì)報(bào)表、策略管理、歷史曲線(xiàn)等功能。其中策略管理，支持多種控制策略選擇，包含計(jì)劃曲線(xiàn)、削峰填谷、需量控制、防逆流等。該系統(tǒng)不僅可以實(shí)現(xiàn)下級(jí)各儲(chǔ)能單元的統(tǒng)一監(jiān)控和管理，還可以實(shí)現(xiàn)與上級(jí)調(diào)度系統(tǒng)和云平臺(tái)的數(shù)據(jù)通訊與交互，既能接受上級(jí)調(diào)度指令，又可以滿(mǎn)足遠(yuǎn)程監(jiān)控與運(yùn)維，確保儲(chǔ)能系統(tǒng)安全、穩(wěn)定、可靠、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。

3.2應(yīng)用場(chǎng)景

適用于工商業(yè)儲(chǔ)能電站、新能源配儲(chǔ)電站。

3.3系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

3.4系統(tǒng)功能

（1）實(shí)時(shí)監(jiān)管

對(duì)微電網(wǎng)的運(yùn)行進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)管，包含市電、光伏、風(fēng)電、儲(chǔ)能、充電樁及用電負(fù)荷，同時(shí)也包括收益數(shù)據(jù)、天氣狀況、節(jié)能減排等信息。

（2）智能監(jiān)控

對(duì)系統(tǒng)環(huán)境、光伏組件、光伏逆變器、風(fēng)電控制逆變一體機(jī)、儲(chǔ)能電池、儲(chǔ)能變流器、用電設(shè)備等進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，掌握微電網(wǎng)系統(tǒng)的運(yùn)行狀況。

（3）功率預(yù)測(cè)

對(duì)分布式發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行短期、超短期發(fā)電功率預(yù)測(cè)，并展示合格率及誤差分析。

（4）電能質(zhì)量

實(shí)現(xiàn)整個(gè)微電網(wǎng)系統(tǒng)范圍內(nèi)的電能質(zhì)量和電能可靠性狀況進(jìn)行持續(xù)性的監(jiān)測(cè)。如電壓諧波、電壓閃變、電壓不平衡等穩(wěn)態(tài)數(shù)據(jù)和電壓暫升/暫降、電壓中斷暫態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)分析及錄波展示，并對(duì)電壓、電流瞬變進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

（5）可視化運(yùn)行

實(shí)現(xiàn)微電網(wǎng)無(wú)人值守，實(shí)現(xiàn)數(shù)字化、智能化、便捷化管理;對(duì)重要負(fù)荷與設(shè)備進(jìn)行不間斷監(jiān)控。

（6）優(yōu)化控制

通過(guò)分析歷史用電數(shù)據(jù)、天氣條件對(duì)負(fù)荷進(jìn)行功率預(yù)測(cè)，并結(jié)合分布式電源出力與儲(chǔ)能狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)優(yōu)化調(diào)度，以降低尖峰或者高峰時(shí)刻的用電量，降低企業(yè)綜合用電成本。

（7）收益分析

用戶(hù)可以查看光伏、儲(chǔ)能、充電樁三部分的每天電量和收益數(shù)據(jù)，同時(shí)可以切換年報(bào)查看每個(gè)月的電量和收益。

（8）能源分析

通過(guò)分析光伏、風(fēng)電、儲(chǔ)能設(shè)備的發(fā)電效率、轉(zhuǎn)化效率，用于評(píng)估設(shè)備性能與狀態(tài)。

（9）策略配置

微電網(wǎng)配置主要對(duì)微電網(wǎng)系統(tǒng)組成、基礎(chǔ)參數(shù)、運(yùn)行策略及統(tǒng)計(jì)值進(jìn)行設(shè)置。其中策略包含計(jì)劃曲線(xiàn)、削峰填谷、需量控制、新能源消納、逆功率控制等。

4硬件及其配套產(chǎn)品

	內(nèi)部設(shè)備的數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控，由通信管理機(jī)、工業(yè)平板電腦、串口服務(wù)器、遙信模塊及相關(guān)通信輔件組成。 數(shù)據(jù)采集、上傳及轉(zhuǎn)發(fā)至服務(wù)器及協(xié)同控制裝置 策略控制:計(jì)劃曲線(xiàn)、需量控制、削峰填谷、備用電源等
2	顯示器	25.1英寸液晶顯示器		系統(tǒng)軟件顯示載體
3	UPS電源	UPS2000-A-2-KTTS		為監(jiān)控主機(jī)提供后備電源
4	打印機(jī)	HP108AA4		用以打印操作記錄，參數(shù)修改記錄、參數(shù)越限、復(fù)限，系統(tǒng)事故，設(shè)備故障，保護(hù)運(yùn)行等記錄，以召喚打印為主要方式
5	音箱	R19U		播放報(bào)警事件信息
6	工業(yè)網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)	D-LINKDES-1016A16		提供 16 口百兆工業(yè)網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)解決了通信實(shí)時(shí)性、網(wǎng)絡(luò)安全性、本質(zhì)安全與安全防爆技術(shù)等技術(shù)問(wèn)題
7	GPS時(shí)鐘	ATS1200GB		利用 gps 同步衛(wèi)星信號(hào)，接收 1pps 和串口時(shí)間信息，將本地的時(shí)鐘和 gps 衛(wèi)星上面的時(shí)間進(jìn)行同步
8	交流計(jì)量電表	AMC96L-E4/KC		電力參數(shù)測(cè)量(如單相或者三相的電流、電壓、有功功率、無(wú)功功率、視在功率,頻率、功率因數(shù)等)、復(fù)費(fèi)率電能計(jì)量、 四象限電能計(jì)量、諧波分析以及電能監(jiān)測(cè)和考核管理。多種外圍接口功能:帶有RS485/MODBUS-RTU 協(xié)議:帶開(kāi)關(guān)量輸入和繼電器輸出可實(shí)現(xiàn)斷路器開(kāi)關(guān)的"遜信“和“遙控”的功能
9	直流計(jì)量電表	PZ96L-DE		可測(cè)量直流系統(tǒng)中的電壓、電流、功率、正向與反向電能?？蓭?RS485 通訊接口、模擬量數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、開(kāi)關(guān)量輸入/輸出等功能
10	電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)	APView500		實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)電壓偏差、頻率俯差、三相電壓不平衡、電壓波動(dòng)和閃變、諾波等電能質(zhì)量，記錄各類(lèi)電能質(zhì)量事件,定位擾動(dòng)源。
11	防孤島裝置	AM5SE-IS		防孤島保護(hù)裝置，當(dāng)外部電網(wǎng)停電后斷開(kāi)和電網(wǎng)連接
12	箱變測(cè)控裝置	AM6-PWC		置針對(duì)光伏、風(fēng)能、儲(chǔ)能升壓變不同要求研發(fā)的集保護(hù)，測(cè)控，通訊一體化裝置，具備保護(hù)、通信管理機(jī)功能、環(huán)網(wǎng)交換機(jī)功能的測(cè)控裝置
13	通信管理機(jī)	ANet-2E851		能夠根據(jù)不同的采集規(guī)的進(jìn)行水表、氣表、電表、微機(jī)保護(hù)等設(shè)備終端的數(shù)據(jù)果集匯總: 提供規(guī)約轉(zhuǎn)換、透明轉(zhuǎn)發(fā)、數(shù)據(jù)加密壓縮、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、邊緣計(jì)算等多項(xiàng)功能:實(shí)時(shí)多任務(wù)并行處理數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)，可多鏈路上送平臺(tái)據(jù):
14	串口服務(wù)器	Aport		功能:轉(zhuǎn)換“輔助系統(tǒng)"的狀態(tài)數(shù)據(jù)，反饋到能量管理系統(tǒng)中。 1)空調(diào)的開(kāi)關(guān)，調(diào)溫，及完全斷電(二次開(kāi)關(guān)實(shí)現(xiàn)) 2)上傳配電柜各個(gè)空開(kāi)信號(hào) 3)上傳 UPS 內(nèi)部電量信息等 4)接入電表、BSMU 等設(shè)備
15	遙信模塊	ARTU-K16		1)反饋各個(gè)設(shè)備狀態(tài)，將相關(guān)數(shù)據(jù)到串口服務(wù)器: 讀消防 VO信號(hào)，并轉(zhuǎn)發(fā)給到上層(關(guān)機(jī)、事件上報(bào)等) 2)采集水浸傳感器信息，并轉(zhuǎn)發(fā)3)給到上層(水浸信號(hào)事件上報(bào)) 4)讀取門(mén)禁程傳感器信息，并轉(zhuǎn)發(fā)

5結(jié)論

本文以某項(xiàng)目戶(hù)外商業(yè)儲(chǔ)能一體機(jī)為研究對(duì)象,分別說(shuō)明了項(xiàng)目總體布置設(shè)計(jì)、系統(tǒng)散熱理論計(jì)算以及柜體結(jié)構(gòu)防護(hù)設(shè)計(jì)。在滿(mǎn)足產(chǎn)品功能性的前提下,對(duì)系統(tǒng)散熱進(jìn)行了嚴(yán)謹(jǐn)?shù)睦碚撚?jì)算，并提供了一定裕量，同時(shí)設(shè)計(jì)了結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單可靠的防塵防水結(jié)構(gòu)，節(jié)約了項(xiàng)目成本,以滿(mǎn)足項(xiàng)目實(shí)際的運(yùn)營(yíng)需求。

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作者簡(jiǎn)介：聞什益 手機(jī)：13564425781（微信同號(hào)）；

審核編輯 黃宇