摘要：要介紹了用戶側某型商業(yè)儲能柜總體設計及整機理論熱計算和對應的散熱方案，并結合戶外的使用環(huán)境，設計了可滿足IP54級的整機防塵、防水結構，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。

關鍵詞：新型儲能，工商業(yè)儲能，儲能柜，系統(tǒng)散熱，防護結構

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：新型儲能是構建新型電力系統(tǒng)的重要技術和基礎裝備，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(diào)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(nèi)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(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(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、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(nèi)部風道，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(diào)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(diào)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(nèi)電池簇和設備艙分開，中間設計防火隔墻，柜內(nèi)頂部布置空調(diào)風道，柜內(nèi)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(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(diào)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完全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(nèi)、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(nèi)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完全貼合，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(diào)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(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(nèi)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(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

	內(nèi)部設備的數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控，由通信管理機、工業(yè)平板電腦、串口服務器、遙信模塊及相關通信輔件組成。 數(shù)據(jù)采集、上傳及轉發(fā)至服務器及協(xié)同控制裝置 策略控制:計劃曲線、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)控主機提供后備電源
4	打印機	HP108AA4		用以打印操作記錄，參數(shù)修改記錄、參數(shù)越限、復限，系統(tǒng)事故，設備故障，保護運行等記錄，以召喚打印為主要方式
5	音箱	R19U		播放報警事件信息
6	工業(yè)網(wǎng)絡交換機	D-LINKDES-1016A16		提供 16 口百兆工業(yè)網(wǎng)絡交換機解決了通信實時性、網(wǎng)絡安全性、本質安全與安全防爆技術等技術問題
7	GPS時鐘	ATS1200GB		利用 gps 同步衛(wèi)星信號，接收 1pps 和串口時間信息，將本地的時鐘和 gps 衛(wèi)星上面的時間進行同步
8	交流計量電表	AMC96L-E4/KC		電力參數(shù)測量(如單相或者三相的電流、電壓、有功功率、無功功率、視在功率,頻率、功率因數(shù)等)、復費率電能計量、 四象限電能計量、諧波分析以及電能監(jiān)測和考核管理。多種外圍接口功能:帶有RS485/MODBUS-RTU 協(xié)議:帶開關量輸入和繼電器輸出可實現(xiàn)斷路器開關的"遜信“和“遙控”的功能
9	直流計量電表	PZ96L-DE		可測量直流系統(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)轉換、開關量輸入/輸出等功能
10	電能質量監(jiān)測	APView500		實時監(jiān)測電壓偏差、頻率俯差、三相電壓不平衡、電壓波動和閃變、諾波等電能質量，記錄各類電能質量事件,定位擾動源。
11	防孤島裝置	AM5SE-IS		防孤島保護裝置，當外部電網(wǎng)停電后斷開和電網(wǎng)連接
12	箱變測控裝置	AM6-PWC		置針對光伏、風能、儲能升壓變不同要求研發(fā)的集保護，測控，通訊一體化裝置，具備保護、通信管理機功能、環(huán)網(wǎng)交換機功能的測控裝置
13	通信管理機	ANet-2E851		能夠根據(jù)不同的采集規(guī)的進行水表、氣表、電表、微機保護等設備終端的數(shù)據(jù)果集匯總: 提供規(guī)約轉換、透明轉發(fā)、數(shù)據(jù)加密壓縮、數(shù)據(jù)轉換、邊緣計算等多項功能:實時多任務并行處理數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)轉發(fā)，可多鏈路上送平臺據(jù):
14	串口服務器	Aport		功能:轉換“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)的開關，調(diào)溫，及完全斷電(二次開關實現(xiàn)) 2)上傳配電柜各個空開信號 3)上傳 UPS 內(nèi)部電量信息等 4)接入電表、BSMU 等設備
15	遙信模塊	ARTU-K16		1)反饋各個設備狀態(tài)，將相關數(shù)據(jù)到串口服務器: 讀消防 VO信號，并轉發(fā)給到上層(關機、事件上報等) 2)采集水浸傳感器信息，并轉發(fā)3)給到上層(水浸信號事件上報) 4)讀取門禁程傳感器信息，并轉發(fā)

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?，同時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

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[3]安科瑞企業(yè)微電網(wǎng)設計與應用手冊.2022年05版

作者簡介：聞什益 手機：13564425781（微信同號）；

審核編輯 黃宇