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0引言

目前,面向電源側的MW、CW級大型儲能已初具規(guī)模,在提高風電與光伏等可再生能源的電能質量、電力調峰、電力緊急響應等方面發(fā)揮了巨大作用。基于此，在用戶側，隨著光伏、新能源汽車設備充放電需求的增加,風光等多種分布式能源從低壓側接人電網(wǎng)，電能質量差、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)省配電基礎設施投資，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)儲能柜總體設計為背景，介紹整機系統(tǒng)散熱和理論計算以及柜體結構上的設計防護，以保障商業(yè)儲能柜在實際應用場景中的安全可靠性。

1商業(yè)儲能柜總體設計與系統(tǒng)散熱設計

某項目商業(yè)儲能柜的功率和容量需求如下：100kWl215kWh,直流側容量為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，簇中集成了風扇和內部散熱風道。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,布置柜內電氣艙設備-PCS、BMS、控制器、斷路器、接線端子、開關、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)風冷散熱方式，故采用工業(yè)壁掛空調對電池艙進行冷卻散熱?？照{布置于柜體背部，采用上進風、下出風的散熱方式，并設計獨立風道，冷風通過電池簇頂部自帶抽風風扇吸入電池簇內部風道，經(jīng)過與電池簇內部電芯熱交換后，通過儲能柜柜體內間隙經(jīng)空調回        風口負壓將熱風排出柜外，達到散熱效果，具體結構如圖3所示。

為提高儲能柜空間利用率，儲能柜體采用模塊化設計，柜體前后兩側面開門，然后布置電池簇、空調風道及電氣設備等。根據(jù)GB50016一2014（建筑設計防火規(guī)范）、GB50019一2015（工業(yè)建筑供暖通風與空氣調節(jié)設計規(guī)范）、GB55036—2022（消防設施通用規(guī)范）、GB55037一2022(建筑防火通用規(guī)范)等強制標準[2-5],將柜體內電池簇和設備艙分開，中間設計防火隔墻，柜內頂部布置空調風道，柜內側壁上布置消防探頭及滅火裝置、通風格柵等。詳細設計需參考相關標準執(zhí)行，本文不詳細說明。鑒于商業(yè)儲能柜設計的高集成性以及露天的使用條件,太陽輻射和內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節(jié)的兩大因素，空調功率的選型需要滿足以上2個因素對電池艙內的散熱需求。本文僅通過理論計算支持空調功率的選型，保證電池艙溫度可以控制在20~50℃范圍內,平均溫差不大于5℃,其詳細的結構設計及優(yōu)化本文不詳細說明。

1.1儲能柜電池艙熱設計

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冷卻方案設計與選型的關鍵。

（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,電池總容量E=240×280Ah=67200Ah,額定倍率n=0.5C,能量效率μ=95%,質量為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）,此處假設電芯能量損失均轉化為熱量釋放。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，則此處按能量轉化效率損失轉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，對應的發(fā)熱功率為：

由于儲能柜柜體結構的特殊性，柜體墻板內、外側一般為2mmQ235A鋼板，墻體中間為巖棉板和密封空氣，本項目戶外柜側墻、頂板及底板采用40mm巖棉層。其結構主要材料導熱系數(shù)如表1所列。

根據(jù)GBT50176—2016(民用建筑熱工設計規(guī)范）柜體體圍護結構需按照復合式結構計算綜合導熱系數(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）儲能柜電器艙熱設計

整個儲能一體機電器艙系統(tǒng)熱負荷主要為PCS設備功耗發(fā)熱量Q3根據(jù)PCS廠家提供的發(fā)熱量Q3=2kW、散熱通風量467mh(CFM)及設備結構形式,選擇合適的風機進行散熱。PCS設備及散熱風向及柜內結構如圖4所示

根據(jù)以上計算結果查找對應風機的P-Q曲線(風壓- 風量曲線）,該項目選擇某型交流軸流風機,工作溫度范圍：-40~+65℃,大風量為1020m/h,其P-Q曲線如圖5所示。由圖5可知，風機工作點位于高流量、低風壓理想?yún)^(qū)域（曲線后平緩區(qū)），可滿足實際散熱工況所需。

2柜體防護結構設計

結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，需同時設計IP54級柜體防護結構

2.1柜體防水結構設計

該項目儲能柜柜體為框架式骨架結構,左右艙室前開門，柜門四周與柜體間采用迷宮式防水結構，同時在柜門四周周邊粘貼密封膠條使其與柜體貼合，并在柜門底部設計瀝水孔，外部水經(jīng)迷宮結構后通過瀝水孔流出柜體外部，具體結構如圖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柜體防塵結構設計

基于散熱的功能需求,儲能柜柜體設計有進、出風口，在滿足散熱通風面積的前提下，需要給進、出風口設計過濾結構。該項目采用通用的格柵+不銹鋼網(wǎng)+防塵過濾網(wǎng)3層結構進行防護，其中，防塵網(wǎng)的過濾間隙可根據(jù)所需的IP等級進行調整，以保證柜體整體的防塵效果。具體結構如圖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)結構

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、風電控制逆變一體機、儲能電池、儲能變流器、用電設備等進行實時監(jiān)測，掌握微電網(wǎng)系統(tǒng)的運行狀況。

（3）功率預測

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

（4）電能質量

實現(xiàn)整個微電網(wǎng)系統(tǒng)范圍內的電能質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測，并結合分布式電源出力與儲能狀態(tài)，實現(xiàn)經(jīng)濟優(yōu)化調度，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、風電、儲能設備的發(fā)電效率、轉化效率，用于評估設備性能與狀態(tài)。

（9）策略配置

微電網(wǎng)配置主要對微電網(wǎng)系統(tǒng)組成、基礎參數(shù)、運行策略及統(tǒng)計值進行設置。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計、系統(tǒng)散熱理論計算以及柜體結構防護設計。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)睦碚撚嬎悖⑻峁┝艘欢ㄔＡ浚瑫r設計了結構簡單可靠的防塵防水結構，節(jié)約了項目成本,以滿足項目實際的運營需求。

參考文獻

[1]張學峰,韓文杰.電網(wǎng)側獨立儲能商業(yè)模式分析[J].新能源科技,2022(2):31-33.

[2]劉鵬飛，劉云，馬小安，呼延釗，劉琛宇.戶外商業(yè)儲能柜系統(tǒng)散熱和防護結構的設計與研究[J].蘭州：蘭州理工大學，2023.

[3]安科瑞企業(yè)微電網(wǎng)設計與應用手冊.2022年05版