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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，電能質量差、區域電網重過載、電動汽車充電難等問題日益突出。一體化商業儲能柜并入電網可有效解決區域電網存在的問題,同時可以節省配電基礎設施投資，具有削峰填谷、峰谷電價套利的優勢[2],因此,可靠的設計防護以及安全穩定的運行是商業儲能柜產品面臨的一大挑戰。本文以某型商業儲能柜總體設計為背景，介紹整機系統散熱和理論計算以及柜體結構上的設計防護，以保障商業儲能柜在實際應用場景中的安全可靠性。
1商業儲能柜總體設計與系統散熱設計
某項目商業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，電池系統采用簇方式進行集成，簇中單個電池包1P20S，容量為17.92kWh,根據總體容量可以確定電池艙所需電池包數量至少為12個，簇中集成了風扇和內部散熱風道。根據電池包、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,初步確定柜內電池艙凈空間為：1040mmx1165mmx2325mm。電池簇如圖1所示。
根據項目需求,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。
該項目為常規風冷散熱方式，故采用工業壁掛空調對電池艙進行冷卻散熱。空調布置于柜體背部，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，經過與電池簇內部電芯熱交換后，通過儲能柜柜體內間隙經空調回 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GB50016一2014（建筑設計防火規范）、GB50019一2015（工業建筑供暖通風與空氣調節設計規范）、GB55036—2022（消防設施通用規范）、GB55037一2022(建筑防火通用規范)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行，本文不詳細說明。鑒于商業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熱負荷主要由電池功耗發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 及控制系統的產熱易于估算,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熱量Q1
根據電池廠家提供的電池包電芯參數，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。可得到電池充放電過程中的功耗發熱量Q1。Q為電池以0.5C倍率放電時釋放的熱量，對應的發熱功率為：
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如表1所列。
根據GBT50176—2016(民用建筑熱工設計規范）柜體體圍護結構需按照復合式結構計算綜合導熱系數。根據理論計算公式，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熱負荷主要為PCS設備功耗發熱量Q3根據PCS廠家提供的發熱量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、低風壓理想區域（曲線后平緩區），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+防塵過濾網3層結構進行防護，其中，防塵網的過濾間隙可根據所需的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微電網能量管理系統
3.1概述
Acrel-2000MG儲能能量管理系統是安科瑞專門針對工商業儲能電站研制的本地化能量管理系統，可實現了儲能電站的數據采集、數據處理、數據存儲、數據查詢與分析、可視化監控、報警管理、統計報表、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。該系統不僅可以實現下級各儲能單元的統一監控和管理，還可以實現與上級調度系統和云平臺的數據通訊與交互，既能接受上級調度指令，又可以滿足遠程監控與運維，確保儲能系統安全、穩定、可靠、經濟運行。
3.2應用場景
適用于工商業儲能電站、新能源配儲電站。
3.3系統結構
3.4系統功能
（1）實時監管
對微電網的運行進行實時監管，包含市電、光伏、風電、儲能、充電樁及用電負荷，同時也包括收益數據、天氣狀況、節能減排等信息。
（2）智能監控
對系統環境、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測，掌握微電網系統的運行狀況。
（3）功率預測
對分布式發電系統進行短期、超短期發電功率預測，并展示合格率及誤差分析。
（4）電能質量
實現整個微電網系統范圍內的電能質量和電能可靠性狀況進行持續性的監測。如電壓諧波、電壓閃變、電壓不平衡等穩態數據和電壓暫升/暫降、電壓中斷暫態數據進行監測分析及錄波展示，并對電壓、電流瞬變進行監測。
（5）可視化運行
實現微電網無人值守，實現數字化、智能化、便捷化管理;對重要負荷與設備進行不間斷監控。
（6）優化控制
通過分析歷史用電數據、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，實現經濟優化調度，以降低尖峰或者高峰時刻的用電量，降低企業綜合用電成本。
（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據，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、儲能設備的發電效率、轉化效率，用于評估設備性能與狀態。
（9）策略配置
微電網配置主要對微電網系統組成、基礎參數、運行策略及統計值進行設置。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硬件及其配套產品
序號 | 設備 | 型號 | 圖片 | 說明 |
1 | 能量管理系統 | Acrel-2000MG |
| 內部設備的數據采集與監控，由通信管理機、工業平板電腦、串口服務器、遙信模塊及相關通信輔件組成。 數據采集、上傳及轉發至服務器及協同控制裝置 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 |
| 系統軟件顯示載體 |
3 | UPS電源 | UPS2000-A-2-KTTS |
| 為監控主機提供后備電源 |
4 | 打印機 | HP108AA4 |
| 用以打印操作記錄，參數修改記錄、參數越限、復限，系統事故，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 | 工業網絡交換機 | D-LINKDES-1016A16 |
| 提供 16 口百兆工業網絡交換機解決了通信實時性、網絡安全性、本質安全與安全防爆技術等技術問題 |
7 | GPS時鐘 | ATS1200GB |
| 利用 gps 同步衛星信號，接收 1pps 和串口時間信息，將本地的時鐘和 gps 衛星上面的時間進行同步 |
8 | 交流計量電表 | AMC96L-E4/KC |
| 電力參數測量(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、功率因數等)、復費率電能計量、 四象限電能計量、諧波分析以及電能監測和考核管理。多種外圍接口功能:帶有RS485/MODBUS-RTU 協議:帶開關量輸入和繼電器輸出可實現斷路器開關的"遜信“和“遙控"的功能 |
9 | 直流計量電表 | PZ96L-DE |
| 可測量直流系統中的電壓、電流、功率、正向與反向電能。可帶 RS485 通訊接口、模擬量數據轉換、開關量輸入/輸出等功能 |
10 | 電能質量監測 | APView500 |
| 實時監測電壓偏差、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，當外部電網停電后斷開和電網連接 |
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、環網交換機功能的測控裝置 |
13 | 通信管理機 | ANet-2E851 |
| 能夠根據不同的采集規的進行水表、氣表、電表、微機保護等設備終端的數據果集匯總: 提供規約轉換、透明轉發、數據加密壓縮、數據轉換、邊緣計算等多項功能:實時多任務并行處理數據采集和數據轉發，可多鏈路上送平臺據: |
14 | 串口服務器 | Aport |
| 功能:轉換“輔助系統"的狀態數據，反饋到能量管理系統中。 1)空調的開關，調溫，及斷電(二次開關實現) 2)上傳配電柜各個空開信號 3)上傳 UPS 內部電量信息等 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，將相關數據到串口服務器: 讀消防 VO信號，并轉發給到上層(關機、事件上報等) 2)采集水浸傳感器信息，并轉發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 |
5結論
本文以某項目戶外商業儲能一體機為研究對象,分別說明了項目總體布置設計、系統散熱理論計算以及柜體結構防護設計。在滿足產品功能性的前提下,對系統散熱進行了嚴謹的理論計算，并提供了一定裕量，同時設計了結構簡單可靠的防塵防水結構，節約了項目成本,以滿足項目實際的運營需求。
參考文獻
[1]張學峰,韓文杰.電網側獨立儲能商業模式分析[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.戶外商業儲能柜系統散熱和防護結構的設計與研究[J].蘭州：蘭州理工大學，2023.
[3]安科瑞企業微電網設計與應用手冊.2022年05版
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