摘要：要介紹了用戶側(cè)某型商業(yè)儲能柜總體設(shè)計及整機理論熱計算和對應(yīng)的散熱方案，并結(jié)合戶外的使用環(huán)境，設(shè)計了可滿足IP54級的整機防塵、防水結(jié)構(gòu)，使其在能保證整機滿功率運行條件下散熱的同時，滿足項目所處環(huán)境的防護需求。

關(guān)鍵詞：新型儲能，工商業(yè)儲能，儲能柜，系統(tǒng)散熱，防護結(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"新型儲能發(fā)展實施方案》指出：新型儲能是構(gòu)建新型電力系統(tǒng)的重要技術(shù)和基礎(chǔ)裝備，是實現(xiàn)碳達峰、碳中和目標的重要支撐。目前,面向電源側(cè)的MW、CW級大型儲能已初具規(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，在用戶側(cè)，隨著光伏、新能源汽車設(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)重過載、電動汽車充電難等問題日益突出。一體化商業(yè)儲能柜并入電網(wǎng)可有效解決區(qū)域電網(wǎng)存在的問題,同時可以節(jié)省配電基礎(chǔ)設(shè)施投資，具有削峰填谷、峰谷電價套利的優(yōu)勢[2],因此,可靠的設(shè)計防護以及安全穩(wěn)定的運行是商業(yè)儲能柜產(chǎn)品面臨的一大挑戰(zhàn)。本文以某型商業(yè)儲能柜總體設(shè)計為背景，介紹整機系統(tǒng)散熱和理論計算以及柜體結(jié)構(gòu)上的設(shè)計防護，以保障商業(yè)儲能柜在實際應(yīng)用場景中的安全可靠性。

1商業(yè)儲能柜總體設(shè)計與系統(tǒng)散熱設(shè)計

某項目商業(yè)儲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，項目總體采用模塊化設(shè)計思路，電池系統(tǒng)采用簇方式進行集成，簇中單個電池包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，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）。考慮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)項目需求,布置柜內(nèi)電氣艙設(shè)備-PCS、BMS、控制器、斷路器、接線端子、開關(guān)、電源等，初步確定電氣艙凈空間為340mmx1002mmx2030mm（寬度x深度×高度）。儲能柜初版總體布置圖如圖2所示。

該項目為常規(guī)風(fēng)冷散熱方式，故采用工業(yè)壁掛空調(diào)對電池艙進行冷卻散熱?？照{(diào)布置于柜體背部，采用上進風(fēng)、下出風(fēng)的散熱方式，并設(shè)計獨立風(fēng)道，冷風(fēng)通過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)過與電池簇內(nèi)部電芯熱交換后，通過儲能柜柜體內(nèi)間隙經(jīng)空調(diào)回風(fēng)口負壓將熱風(fēng)排出柜外，達到散熱效果，具體結(jié)構(gòu)如圖3所示。

為提高儲能柜空間利用率，儲能柜體采用模塊化設(shè)計，柜體前后兩側(cè)面開門，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)等強制標準[2-5],將柜體內(nèi)電池簇和設(shè)備艙分開，中間設(shè)計防火隔墻，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。詳細設(shè)計需參考相關(guān)標準執(zhí)行，本文不詳細說明。鑒于商業(yè)儲能柜設(shè)計的高集成性以及露天的使用條件,太陽輻射和內(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)功率的選型需要滿足以上2個因素對電池艙內(nèi)的散熱需求。本文僅通過理論計算支持空調(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℃,其詳細的結(jié)構(gòu)設(shè)計及優(yōu)化本文不詳細說明。

1.1儲能柜電池艙熱設(shè)計

整個儲能柜電池艙系統(tǒng)熱負荷主要由電池功耗發(fā)熱量和外部太陽熱輻射熱量組成，其余接線端子、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,較為準確估算電池充放電過程中的功耗發(fā)熱量和外部熱輻射熱是一體機電池艙空調(diào)冷卻方案設(shè)計與選型的關(guān)鍵。

（1）電池充放電過程中的功耗發(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，但通常無法獲取電池的工作電流曲線，則此處按能量轉(zhuǎn)化效率損失轉(zhuǎn)化熱量進行大值估算?？傻玫诫姵爻浞烹娺^程中的功耗發(fā)熱量Q1。Q為電池以0.5C倍率放電時釋放的熱量，對應(yīng)的發(fā)熱功率為：

由于儲能柜柜體結(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，本項目戶外柜側(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)計規(guī)范）柜體體圍護結(jié)構(gòu)需按照復(fù)合式結(jié)構(gòu)計算綜合導(dǎo)熱系數(shù)。根據(jù)理論計算公式，戶外柜柜體總的外部靜滲人熱量功率為：

（2）儲能柜電器艙熱設(shè)計

整個儲能一體機電器艙系統(tǒng)熱負荷主要為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)機進行散熱。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)以上計算結(jié)果查找對應(yīng)風(fēng)機的P-Q曲線(風(fēng)壓- 風(fēng)量曲線）,該項目選擇某型交流軸流風(fēng)機,工作溫度范圍：-40~+65℃,大風(fēng)量為1020m/h,其P-Q曲線如圖5所示。由圖5可知，風(fēng)機工作點位于高流量、低風(fēng)壓理想?yún)^(qū)域（曲線后平緩區(qū)），可滿足實際散熱工況所需。

2柜體防護結(jié)構(gòu)設(shè)計

結(jié)合儲能一體機實際的使用工況，其戶外柜的防護等級一般要求需達到IP54及以上,根據(jù)GB4208一2008(外殼防護等級)的要求[8],機柜需滿足防塵和防噴水,所以在滿足上述功能散熱的前提下，需同時設(shè)計IP54級柜體防護結(jié)構(gòu)

2.1柜體防水結(jié)構(gòu)設(shè)計

該項目儲能柜柜體為框架式骨架結(jié)構(gòu),左右艙室前開門，柜門四周與柜體間采用迷宮式防水結(jié)構(gòu)，同時在柜門四周周邊粘貼密封膠條使其與柜體貼合，并在柜門底部設(shè)計瀝水孔，外部水經(jīng)迷宮結(jié)構(gòu)后通過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

基于散熱的功能需求,儲能柜柜體設(shè)計有進、出風(fēng)口，在滿足散熱通風(fēng)面積的前提下，需要給進、出風(fēng)口設(shè)計過濾結(jié)構(gòu)。該項目采用通用的格柵+不銹鋼網(wǎng)+防塵過濾網(wǎng)3層結(jié)構(gòu)進行防護，其中，防塵網(wǎng)的過濾間隙可根據(jù)所需的IP等級進行調(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儲能能量管理系統(tǒng)是安科瑞專門針對工商業(yè)儲能電站研制的本地化能量管理系統(tǒng)，可實現(xiàn)了儲能電站的數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)查詢與分析、可視化監(jiān)控、報警管理、統(tǒng)計報表、策略管理、歷史曲線等功能。其中策略管理，支持多種控制策略選擇，包含計劃曲線、削峰填谷、需量控制、防逆流等。該系統(tǒng)不僅可以實現(xiàn)下級各儲能單元的統(tǒng)一監(jiān)控和管理，還可以實現(xiàn)與上級調(diào)度系統(tǒng)和云平臺的數(shù)據(jù)通訊與交互，既能接受上級調(diào)度指令，又可以滿足遠程監(jiān)控與運維，確保儲能系統(tǒng)安全、穩(wěn)定、可靠、經(jīng)濟運行。

3.2應(yīng)用場景

適用于工商業(yè)儲能電站、新能源配儲電站。

3.3系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

3.4系統(tǒng)功能

（1）實時監(jiān)管

對微電網(wǎng)的運行進行實時監(jiān)管，包含市電、光伏、風(fēng)電、儲能、充電樁及用電負荷，同時也包括收益數(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、儲能電池、儲能變流器、用電設(shè)備等進行實時監(jiān)測，掌握微電網(wǎng)系統(tǒng)的運行狀況。

（3）功率預(yù)測

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

（4）電能質(zhì)量

實現(xiàn)整個微電網(wǎng)系統(tǒng)范圍內(nèi)的電能質(zhì)量和電能可靠性狀況進行持續(xù)性的監(jiān)測。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)進行監(jiān)測分析及錄波展示，并對電壓、電流瞬變進行監(jiān)測。

（5）可視化運行

實現(xiàn)微電網(wǎng)無人值守，實現(xiàn)數(shù)字化、智能化、便捷化管理;對重要負荷與設(shè)備進行不間斷監(jiān)控。

（6）優(yōu)化控制

通過分析歷史用電數(shù)據(jù)、天氣條件對負荷進行功率預(yù)測，并結(jié)合分布式電源出力與儲能狀態(tài)，實現(xiàn)經(jīng)濟優(yōu)化調(diào)度，以降低尖峰或者高峰時刻的用電量，降低企業(yè)綜合用電成本。

（7）收益分析

用戶可以查看光伏、儲能、充電樁三部分的每天電量和收益數(shù)據(jù)，同時可以切換年報查看每個月的電量和收益。

（8）能源分析

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

（9）策略配置

微電網(wǎng)配置主要對微電網(wǎng)系統(tǒng)組成、基礎(chǔ)參數(shù)、運行策略及統(tǒng)計值進行設(shè)置。其中策略包含計劃曲線、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

5結(jié)論

本文以某項目戶外商業(yè)儲能一體機為研究對象,分別說明了項目總體布置設(shè)計、系統(tǒng)散熱理論計算以及柜體結(jié)構(gòu)防護設(shè)計。在滿足產(chǎn)品功能性的前提下,對系統(tǒng)散熱進行了嚴謹?shù)睦碚撚嬎?，并提供了一定裕量，同時設(shè)計了結(jié)構(gòu)簡單可靠的防塵防水結(jié)構(gòu)，節(jié)約了項目成本,以滿足項目實際的運營需求。

參考文獻

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