浅谈电动公交充电站预制舱式储能系统设计方案研究
2024-04-18 09:49:28 来源：安科瑞电子商务（上海）有限公司
摘 要：提出一种预制舱式储能系统的设计方案，将主要的储能、变流设备及二次监控设备集成于标准集装箱内。通过合理的分区和布局，该方案具有集成化程度高、占地面积小、运输安装便利等优点，适用于市区内电动公交车充电站。设计了智能监控系统，对储能系统运行、环境、安防进行集中监控，保障了系统的安全高效运行。
关键词：电动公交车充电站；储能系统；预制舱；智能监控
0引言
相比于传统燃油公交车，电动公交车以电代油，具有零排放、低噪音、低能耗等优势。随着电池、车载电机等相关技术的不断发展，电动公交车在国内乃至全世界范围内逐步推广应用。动力电池是电动公交车的重要部件之一，其寿命及性能影响着车辆的正常营运。为保障车辆正常行驶并具备一定的应急能力和安全裕量，根据国家相关标准，当电池容量衰减至80％以下时即无法继续应用于交通工具，需进行回收处理。根据目前电池技术及电动公交车营运经验，动力电池在3~5年后便不适合在电动公交车上使用，但可继续应用于其它场合。通过充电站内新建储能系统，可平抑多台快充桩同时使用对配电线路带来的功率冲击，并利用电价峰谷价差节约站用电成本，是提高退役动力电池利用率、降低充电站运营成本、提升充电站内供电可靠性的有效手段。传统储能系统均采用户内设备，需在充电站生产综合用房内专门设置储能单元室，以布置储能系统一次设备（包括电池、汇流箱、变流器等）；储能系统二次控制屏柜布置于充电站生产综合用房二次设备室内，其集成化、模块化程度较低，运输、施工难度较大。此类储能系统仅适用于规模较大、建设有生产综合用房的大型公交充电站。对于规模较小、因采用户外设备而未建设生产综合用房的充电站，新建此类储能系统的土建施工量较大，且对场地、进出通道要求较高，难以推广应用。本文提出了一种应用于电动公交车充电站内的预制舱式储能系统，该系统采用模块化建设思路，将储能单元、变流设备以及二次监控系统集成于标准集装箱内，克服传统储能系统占地大、建设困难的缺点，且便于运输和现场安装，具备更好的经济效益和应用前景。
1.典型接入方式与运行模式
储能系统接入充电站内380V母线，接受充电站内监控系统的控制，电动公交充电站内接线方式如图１所示。在电动公交车充电站内，储能系统典型运行模式包括以下两种。
(1)并网运行模式：当电价处于谷时，储能系统吸收电能并存储；当电价为峰且站内有车辆进行充电时，储能系统通过380V母线为充电桩供电，通过峰谷价差提升充电站经济效益。
(2)离网运行模式：当充电站10kV进线因故退出运行而造成全站失电时，由储能系统提供应急电源，为充电站内应急用电负荷及部分充电桩供电，保障充电站正常运行；当充电站10kV进线恢复供电后，再由储能系统存储所需电能。以储能系统作为“热备用”，提高充电站运行可靠性。
2.总体结构
储能系统由一次部分和二次部分共同构成，实现系统能量存储、变换、运行环境监控等功能，其总体结构如图2所示。
储能系统一次部分主要由双向变流器（pcs）、直流汇流箱、电池柜等主要设备组成。双向pcs实现交直流电能转换，连接储能系统直流部分与充电站内交流部分，可根据控制系统下发的指令，改变功率流向，实现储能系统充电／放电。直流汇流箱内设直流母线和熔断器，联接双向pcs和电池柜，实现电能的汇集和分配，当某个电池柜发生短路故障时，短路电流使熔断器断开，切除故障设备，保护整个储能系统。电池柜主体由多个电池组串并联而成，电池柜容量及数量由储能系统总容量决定。每个电池柜内设电池管理系统（bms）和均衡／采集模块，实现电池组动态检测和组间均衡。
储能系统二次部分由智能控制系统、环境监控设备及电池柜内bms组成。智能控制系统由多台服务器及相关后台软件组成，安装在一面屏柜内，具有人机交互界面。智能控制系统为储能系统的核心控制器，执行充电站控制系统下发的指令，实现储能系统输出／接收电能控制，并对储能系统内部运行环境进行监控。
3.布置方案
储能系统采用标准集装箱式安装方案，根据储能系统电池容量的不同，采取不同规格的集装箱。对于容量在800kW·ｈ以下的储能系统，采用２０英尺标准集装箱；对于800-1500kW·ｈ的储能系统，采用４０英尺标准集装箱；对于容量大于1500kW·ｈ的储能系统，采用40英尺超高集装箱。标准集装箱内进行分区布置，根据设备功能和运行特性将一次、二次设备布置于不同区域，便于运维人员操作和检修。集装箱底部为电缆夹层，作为电气设备一次、二次电缆的主要通道；集装箱主体分为电池室和控制室两部分。
（1）电池室：电池柜及汇流箱等主要一次设备安装在电池室内。电池柜内安装的电池组由退役电动公交车动力电池构成。根据常用电动公交车动力电池的一般参数估算，每电池柜容量约为40~60kW·ｈ，电池柜尺寸为600ｍｍ×500ｍｍ×1200ｍｍ（长×宽×高），采用双列布置的方式放置于电池室两侧。两列电池柜中间预留检修通道，便于运行人员日常巡检及故障设备搬运。汇流箱与电池柜并排，布置在电池室内靠近控制室的一侧，以便于汇流箱与双向pcs之间的接线。蓄电池、汇流箱与双向pcs之间的一次电缆，连接至智能控制屏柜的二次电缆均引下至电缆夹层后敷设。除湿空调、感烟探测器、视频监控枪机等环境监控设备布置在集装箱顶部，其电源电缆和控制电缆穿pvc管后沿集装箱壁敷设，连接至智能控制屏柜相应接口。
（2）控制室：控制室内并排布置双向pcs和智能控制屏柜。智能控制屏柜内安装多台组屏式服务器，运行智能控制屏柜相关软件，且集成显示屏，通过人机交互界面展示储能系统运行情况及温度、湿度等集装箱内环境状况。显示屏面向检修通道方向，以方便运维人员观察和操作。设备一次、二次电缆敷设方式同电池室；环境监控设备布
置方式同电池室。
为方便运维人员巡检，在朝向检修道路的方向开设巡视小门，便于人员在日常维护时进入电池室或控制室查看设备运行情况。同时在集装箱两侧窄边设置检修大门，当电池室或控制室内电气设备出现故障需要更换时，通过小室内预留的检修通道和检修大门移出故障设备。正常工作时检修大门保持闭锁状态，人员由巡视小门出入。布置方案如图３所示。
4.智能控制系统
智能控制系统由控制屏柜及环境监控传感器共同构成。智能控制屏柜为储能系统的核心控制器，安装有服务器、后台软件和人机交互界面。智能控制屏柜通过控制总线，接收每个电池柜内电池管理系统上传的运行数据，对电池柜进行监控；同时接收来自充电站监控系统的运行指令，生成控制策略发送至双向pcs，实现储能系统输出／接收电能控制。
智能控制屏柜通过布置于集装箱内的各类环境监控传感器，对储能系统的运行环境进行监测和调节，并把运行数据及环境数据上传至充电站监控系统以便于运行人员实时观察。智能控制系统主要包括如下功能。
（１）温度监控。通过除湿空调内置温度传感器检测预制舱内温度，当舱内温度高于30℃或低于0℃时，智能监控系统启动除湿空调制冷或制热功能；当舱内温度高于50℃或低于－10℃时，除开启空调制冷或制热功能外，智能监控系统还下发指令停止双向pcs运行，断开电池柜内断路器，并向充电站站内监控系统发出高温或者低温报警。
（２）消防监控。通过感烟探测器，对预制舱内进行消防监控。当探测到烟雾时，智能监控系统下发指令停止双向pcs运行，断开电池柜内断路器，并向充电站站内监控系统发出火灾报警。
（３）湿度监控。通过除湿空调内湿度传感器检测预制舱内湿度，当舱内湿度超过50％时启动除湿空调通风除湿功能。
（４）安防监控。将预制舱内视频监控枪机拍摄内容存储至后台，当充电站站内监控系统下发调用指令时，将视频数据上传至站内监控系统，实现操作人员远方查看。
5.安科瑞Acrel-2000ES储能能量管理系统概述
5.1概述
安科瑞Acrel-2000ES储能能量管理系统，专门针对工商业储能柜、储能集装箱研发的一款储能EMS，具有完善的储能监控与管理功能,涵盖了储能系统设备(PCS、BMS、电表、消防、空调等)的详细信息,实现了数据采集、数据处理、数据存储、数据查询与分析、可视化监控、报警管理、统计报表等功能。在高级应用上支持能量调度,具备计划曲线、削峰填谷、需量控制、防逆流等控制功能。
5.2系统结构
Acrel-2000ES，可通过直采或者通过通讯管理或串口服务器将储能柜或者储能集装箱内部的设备接入系统。系统结构如下：
5.3接入设备
Acrel-2000ES，具备多种接口，多种协议对接的能力，支持多种设备接入。
5.4系统功能
5.4.1实时监测
系统人机界面友好，能够显示储能柜的运行状态，实时监测 PCS、BMS 以及环境参数信息，如电参量、温度、湿度等。实时显示有关故障、告警、收益等信息。
5.4.2设备监控
系统能够实时监测 PCS、BMS、电表、空调、消防、除湿机等设备的运行状态及运行模式。
PCS 监控：满足储能变流器的参数与限值设置；运行模式设置；实现储能变流器交直流侧 电压、电流、功率及充放电量参数的采集与展示；实现 PCS 通讯状态、启停状态、开关状态、 异常告警等状态监测。
BMS 监控：满足电池管理系统的参数与限值设置；实现储能电池的电芯、电池簇的温度、电压、电流的监测；实现电池充放电状态、电压、电流及温度异常状态的告警。
空调监控：满足环境温度的监测，可根据设置的阈值进行空调温度的联动调节，并实时监测空调的运行状态及温湿度数据，以曲线形式进行展示。
UPS 监控：满足 UPS 的运行状态及相关电参量监测。
5.4.3 曲线报表
系统能够对 PCS 充放电功率曲线、SOC 变换曲线、及电压、电流、温度等历史曲线的查询与展示。
5.4.4策略配置
满足储能系统设备参数的配置、电价参数与时段的设置、控制策略的选择。目前支持的控制策略包含计划曲线、削峰填谷、需量控制等。
5.4.5实时报警
储能能量管理系统具有实时告警功能，系统能够对储能充放电越限、温度越限、设备故障或通信故障等事件发出告警。
5.4.6事件查询统计
储能能量管理系统能够对遥信变位，温湿度、电压越限等事件记录进行存储和管理，方便用户对系统事件和报警进行历史追溯，查询统计、事故分析。
5.4.7遥控操作
可以通过每个设备下面的红色按钮对 PCS、风机、除湿机、空调控制器、照明等设备进行相应的控制，但是当设备未通信上时，控制按钮会显示无效状态。
5.4.8用户权限管理
储能能量管理系统为保障系统安全稳定运行，设置了用户权限管理功能。通过用户权限管理能够防止未经授权的操作（如遥控的操作，数据库修改等）。可以定义不同级别用户的登录名、密码及操作权限，为系统运行、维护、管理提供可靠的安全保障。
5.4.9安科瑞配套产品
6 结语
本文研究了一种适用于电动公交车充电站的预制舱式储能系统。不同于传统的储能系统，本系统采用模块化设计思路，将主要设备集成在标准集装箱内，具有占地小、接线简单、便于运输及安装的特点，适用于布置紧凑、缺少大型生产综合用房的城市电动公交车充电站，具有较好的应用推广前景。除储能单元、变流单元等一次设备外，预制舱式储能系统同时集成了智能控制屏柜，对整体系统的运行环境、控制策略、安防等方面进行集中监控，保障了预制舱式储能系统安全高效运行。
参考文献
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[2]刘月贤，王天钰，杨亚宇，等．电动汽车充放电系统建模与仿真［Ｊ］．电力系统保护与控制
[3]田立亭，张明霞，汪奂伶．电动汽车对电网影响的评估和解决方案［Ｊ］．中国电机工程学报
[4]晏 阳，王梦蔚，姜 华，闫安心.电动公交充电站预制舱式储能系统设计方案研究
[5]安科瑞企业微电网设计与应用手册2022.5版.
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BMS 监控：满足电池管理系统的参数与限值设置；实现储能电池的电芯、电池簇的温度、电压、电流的监测；实现电池充放电状态、电压、电流及温度异常状态的告警。
空调监控：满足环境温度的监测，可根据设置的阈值进行空调温度的联动调节，并实时监测空调的运行状态及温湿度数据，以曲线形式进行展示。
UPS 监控：满足 UPS 的运行状态及相关电参量监测。
5.4.4策略配置
5.4.5实时报警
6 结语
