浅谈户外储能柜系统的结构和应用
2024-11-07 09:59:02 来源：acrel2024
摘要：要介绍了用户侧某型商业储能柜总体设计及整机理论热计算和对应的散热方案，并结合户外的使用环境，设计了可满足IP54级的整机防尘、防水结构，使其在能保证整机满功率运行条件下散热的同时，满足项目所处环境的防护需求。
关键词：新型储能，工商业储能，储能柜，系统散热，防护结构
0引言
2022年1月，国家发展改革委、国家能源局联合发布的《“十四五"新型储能发展实施方案》指出：新型储能是构建新型电力系统的重要技术和基础装备，是实现碳达峰、碳中和目标的重要支撑。目前,面向电源侧的MW、CW级大型储能已初具规模,在提高风电与光伏等可再生能源的电能质量、电力调峰、电力紧急响应等方面发挥了巨大作用。
基于此，在用户侧，随着光伏、新能源汽车设备充放电需求的增加,风光等多种分布式能源从低压侧接人电网，电能质量差、区域电网重过载、电动汽车充电难等问题日益突出。一体化商业储能柜并入电网可有效解决区域电网存在的问题,同时可以节省配电基础设施投资，具有削峰填谷、峰谷电价套利的优势[2],因此,可靠的设计防护以及安全稳定的运行是商业储能柜产品面临的一大挑战。本文以某型商业储能柜总体设计为背景，介绍整机系统散热和理论计算以及柜体结构上的设计防护，以保障商业储能柜在实际应用场景中的安全可靠性。
1商业储能柜总体设计与系统散热设计
某项目商业储能柜的功率和容量需求如下：100kWl215kWh,直流侧容量为215kWh。其中,电池采用LFP(磷酸铁锂)电池，项目总体采用模块化设计思路，电池系统采用簇方式进行集成，簇中单个电池包1P20S，容量为17.92kWh,根据总体容量可以确定电池舱所需电池包数量至少为12个，簇中集成了风扇和内部散热风道。根据电池包、高压箱尺寸确定电池簇整体尺寸为：910mmx1002mmx2030mm(宽度×深度×高度）。考虑到安装空间和电池簇散热空间,初步确定柜内电池舱净空间为：1040mmx1165mmx2325mm。电池簇如图1所示。
根据项目需求,布置柜内电气舱设备-PCS、BMS、控制器、断路器、接线端子、开关、电源等，初步确定电气舱净空间为340mmx1002mmx2030mm（宽度x深度×高度）。储能柜初版总体布置图如图2所示。
该项目为常规风冷散热方式，故采用工业壁挂空调对电池舱进行冷却散热。空调布置于柜体背部，采用上进风、下出风的散热方式，并设计独立风道，冷风通过电池簇顶部自带抽风风扇吸入电池簇内部风道，经过与电池簇内部电芯热交换后，通过储能柜柜体内间隙经空调回风口负压将热风排出柜外，达到散热效果，具体结构如图3所示。
为提高储能柜空间利用率，储能柜体采用模块化设计，柜体前后两侧面开门，然后布置电池簇、空调风道及电气设备等。根据GB50016一2014（建筑设计防火规范）、GB50019一2015（工业建筑供暖通风与空气调节设计规范）、GB55036—2022（消防设施通用规范）、GB55037一2022(建筑防火通用规范)等国家强制标准[2-5],将柜体内电池簇和设备舱分开，中间设计防火隔墙，柜内顶部布置空调风道，柜内侧壁上布置消防探头及灭火装置、通风格栅等。详细设计需参考相关标准执行，本文不详细说明。鉴于商业储能柜设计的高集成性以及露天的使用条件,太阳辐射和内部电池自身放电释放热量,是影响电池舱和电气舱的温度调节的两大因素，空调功率的选型需要满足以上2个因素对电池舱内的散热需求。本文仅通过理论计算支持空调功率的选型，保证电池舱温度可以控制在20~50℃范围内,平均温差不大于5℃,其详细的结构设计及优化本文不详细说明。
1.1储能柜电池舱热设计
整个储能柜电池舱系统热负荷主要由电池功耗发热量和外部太阳热辐射热量组成，其余接线端子、直流回路柜体背面 及控制系统的产热易于估算,且占比较小,因此,较为准确估算电池充放电过程中的功耗发热量和外部热辐射热是一体机电池舱空调冷却方案设计与选型的关键。
（1）电池充放电过程中的功耗发热量Q1
根据电池厂家提供的电池包电芯参数，该项目使用的单电芯额定容量为280Ah，额定电压为3.2V,电池总容量E=240×280Ah=67200Ah,额定倍率n=0.5C,能量效率μ=95%,质量为5.3kg，比热容C=1000(J/kg·℃)，以额定倍率n=0.5C放电，温升速率v=3.7(℃/h）,此处假设电芯能量损失均转化为热量释放。在实际情况下，电池功耗发热功率与电流的二次方成正比，但通常无法获取电池的工作电流曲线，则此处按能量转化效率损失完全转化热量进行大值估算。可得到电池充放电过程中的功耗发热量Q1。Q为电池以0.5C倍率放电时释放的热量，对应的发热功率为：
由于储能柜柜体结构的特殊性，柜体墙板内、外侧一般为2mmQ235A钢板，墙体中间为岩棉板和密封空气，本项目户外柜侧墙、顶板及底板采用40mm岩棉层。其结构主要材料导热系数如表1所列。
根据GBT50176—2016(民用建筑热工设计规范）柜体体围护结构需按照复合式结构计算综合导热系数。根据理论计算公式，户外柜柜体总的外部静渗人热量功率为：
（2）储能柜电器舱热设计
整个储能一体机电器舱系统热负荷主要为PCS设备功耗发热量Q3根据PCS厂家提供的发热量Q3=2kW、散热通风量467mh(CFM)及设备结构形式,选择合适的风机进行散热。PCS设备及散热风向及柜内结构如图4所示
根据以上计算结果查找对应风机的P-Q曲线(风压- 风量曲线）,该项目选择某型交流轴流风机,工作温度范围：-40~+65℃,大风量为1020m/h,其P-Q曲线如图5所示。由图5可知，风机工作点位于高流量、低风压理想区域（曲线后平缓区），可满足实际散热工况所需。
2柜体防护结构设计
结合储能一体机实际的使用工况，其户外柜的防护等级一般要求需达到IP54及以上,根据GB4208一2008(外壳防护等级)的要求[8],机柜需满足防尘和防喷水,所以在满足上述功能散热的前提下，需同时设计IP54级柜体防护结构
2.1柜体防水结构设计
该项目储能柜柜体为框架式骨架结构,左右舱室前开门，柜门四周与柜体间采用迷宫式防水结构，同时在柜门四周周边粘贴密封胶条使其与柜体完全贴合，并在柜门底部设计沥水孔，外部水经迷宫结构后通过沥水孔流出柜体外部，具体结构如图6所示。柜体焊缝及蒙皮板拼接处采用防水密封胶进行密封，以保证柜体整体的防水效果。
2.2柜体防尘结构设计
基于散热的功能需求,储能柜柜体设计有进、出风口，在满足散热通风面积的前提下，需要给进、出风口设计过滤结构。该项目采用通用的格栅+不锈钢网+防尘过滤网3层结构进行防护，其中，防尘网的过滤间隙可根据所需的IP等级进行调整，以保证柜体整体的防尘效果。具体结构如图7 所示
3安科瑞Acrel-2000MG微电网能量管理系统
3.1概述
Acrel-2000MG储能能量管理系统是安科瑞专门针对工商业储能电站研制的本地化能量管理系统，可实现了储能电站的数据采集、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、策略管理、历史曲线等功能。其中策略管理，支持多种控制策略选择，包含计划曲线、削峰填谷、需量控制、防逆流等。该系统不仅可以实现下级各储能单元的统一监控和管理，还可以实现与上级调度系统和云平台的数据通讯与交互，既能接受上级调度指令，又可以满足远程监控与运维，确保储能系统安全、稳定、可靠、经济运行。
3.2应用场景
适用于工商业储能电站、新能源配储电站。
3.3系统结构
3.4系统功能
（1）实时监管
对微电网的运行进行实时监管，包含市电、光伏、风电、储能、充电桩及用电负荷，同时也包括收益数据、天气状况、节能减排等信息。
（2）智能监控
对系统环境、光伏组件、光伏逆变器、风电控制逆变一体机、储能电池、储能变流器、用电设备等进行实时监测，掌握微电网系统的运行状况。
（3）功率预测
对分布式发电系统进行短期、超短期发电功率预测，并展示合格率及误差分析。
（4）电能质量
实现整个微电网系统范围内的电能质量和电能可靠性状况进行持续性的监测。如电压谐波、电压闪变、电压不平衡等稳态数据和电压暂升/暂降、电压中断暂态数据进行监测分析及录波展示，并对电压、电流瞬变进行监测。
（5）可视化运行
实现微电网无人值守，实现数字化、智能化、便捷化管理;对重要负荷与设备进行不间断监控。
（6）优化控制
通过分析历史用电数据、天气条件对负荷进行功率预测，并结合分布式电源出力与储能状态，实现经济优化调度，以降低尖峰或者高峰时刻的用电量，降低企业综合用电成本。
（7）收益分析
用户可以查看光伏、储能、充电桩三部分的每天电量和收益数据，同时可以切换年报查看每个月的电量和收益。
（8）能源分析
通过分析光伏、风电、储能设备的发电效率、转化效率，用于评估设备性能与状态。
（9）策略配置
微电网配置主要对微电网系统组成、基础参数、运行策略及统计值进行设置。其中策略包含计划曲线、削峰填谷、需量控制、新能源消纳、逆功率控制等。
4硬件及其配套产品
5结论
本文以某项目户外商业储能一体机为研究对象,分别说明了项目总体布置设计、系统散热理论计算以及柜体结构防护设计。在满足产品功能性的前提下,对系统散热进行了严谨的理论计算，并提供了一定裕量，同时设计了结构简单可靠的防尘防水结构，节约了项目成本,以满足项目实际的运营需求。
参考文献
[1]张学峰,韩文杰.电网侧独立储能商业模式分析[J].新能源科技,2022(2):31-33.
[2]刘鹏飞，刘云，马小安，呼延钊，刘琛宇.户外商业储能柜系统散热和防护结构的设计与研究[J].兰州：兰州理工大学，2023.
[3]安科瑞企业微电网设计与应用手册.2022年05版
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该项目为常规风冷散热方式，故采用工业壁挂空调对电池舱进行冷却散热。空调布置于柜体背部，采用上进风、下出风的散热方式，并设计独立风道，冷风通过电池簇顶部自带抽风风扇吸入电池簇内部风道，经过与电池簇内部电芯热交换后，通过储能柜柜体内间隙经空调回风口负压将热风排出柜外，达到散热效果，具体结构如图3所示。
为提高储能柜空间利用率，储能柜体采用模块化设计，柜体前后两侧面开门，然后布置电池簇、空调风道及电气设备等。根据GB50016一2014（建筑设计防火规范）、GB50019一2015（工业建筑供暖通风与空气调节设计规范）、GB55036—2022（消防设施通用规范）、GB55037一2022(建筑防火通用规范)等国家强制标准[2-5],将柜体内电池簇和设备舱分开，中间设计防火隔墙，柜内顶部布置空调风道，柜内侧壁上布置消防探头及灭火装置、通风格栅等。详细设计需参考相关标准执行，本文不详细说明。鉴于商业储能柜设计的高集成性以及露天的使用条件,太阳辐射和内部电池自身放电释放热量,是影响电池舱和电气舱的温度调节的两大因素，空调功率的选型需要满足以上2个因素对电池舱内的散热需求。本文仅通过理论计算支持空调功率的选型，保证电池舱温度可以控制在20~50℃范围内,平均温差不大于5℃,其详细的结构设计及优化本文不详细说明。
由于储能柜柜体结构的特殊性，柜体墙板内、外侧一般为2mmQ235A钢板，墙体中间为岩棉板和密封空气，本项目户外柜侧墙、顶板及底板采用40mm岩棉层。其结构主要材料导热系数如表1所列。
根据GBT50176—2016(民用建筑热工设计规范）柜体体围护结构需按照复合式结构计算综合导热系数。根据理论计算公式，户外柜柜体总的外部静渗人热量功率为：
（2）储能柜电器舱热设计
根据以上计算结果查找对应风机的P-Q曲线(风压- 风量曲线）,该项目选择某型交流轴流风机,工作温度范围：-40~+65℃,大风量为1020m/h,其P-Q曲线如图5所示。由图5可知，风机工作点位于高流量、低风压理想区域（曲线后平缓区），可满足实际散热工况所需。
2柜体防护结构设计
5结论本文以某项目户外商业储能一体机为研究对象,分别说明了项目总体布置设计、系统散热理论计算以及柜体结构防护设计。在满足产品功能性的前提下,对系统散热进行了严谨的理论计算，并提供了一定裕量，同时设计了结构简单可靠的防尘防水结构，节约了项目成本,以满足项目实际的运营需求。
