淺談電動公交充電站預制艙式儲能系統(tǒng)設計方案研究

任運業(yè)

安科瑞電氣股份有限公司 上海嘉定201801

摘 要：提出一種預制艙式儲能系統(tǒng)的設計方案，將主要的儲能、變流設備及二次監(jiān)控設備集成于標準集裝箱內(nèi)。通過合理的分區(qū)和布局，該方案具有集成化程度高、占地面積小、運輸安裝便利等優(yōu)點，適用于市區(qū)內(nèi)電動公交車充電站。設計了智能監(jiān)控系統(tǒng)，對儲能系統(tǒng)運行、環(huán)境、安防進行集中監(jiān)控，保障了系統(tǒng)的安全高效運行。

關鍵詞：電動公交車充電站；儲能系統(tǒng)；預制艙；智能監(jiān)控

0引言

相比于傳統(tǒng)燃油公交車，電動公交車以電代油，具有零pai放、低噪音、低能耗等優(yōu)勢。隨著電池、車載電機等相關技術的不斷發(fā)展，電動公交車在國內(nèi)乃至quan世界范圍內(nèi)逐步推廣應用。動力電池是電動公交車的重要部件之一，其壽命及性能影響著車輛的正常營運。為保障車輛正常行駛并具備一定的應急能力和安全裕量，根據(jù)相關標準，當電池容量衰減至80％以下時即無法繼續(xù)應用于交通工具，需進行回收處理。根據(jù)目前電池技術及電動公交車營運經(jīng)驗，動力電池在3~5年后便不適合在電動公交車上使用，但可繼續(xù)應用于其它場合。通過充電站內(nèi)新建儲能系統(tǒng)，可平抑多臺快充樁同時使用對配電線路帶來的功率沖擊，并利用電價峰谷價差節(jié)約站用電成本，是提高退役動力電池利用率、降低充電站運營成本、提升充電站內(nèi)供電可靠性的有效手段。傳統(tǒng)儲能系統(tǒng)均采用戶內(nèi)設備，需在充電站生產(chǎn)綜合用房內(nèi)專門設置儲能單元室，以布置儲能系統(tǒng)一次設備（包括電池、匯流箱、變流器等）；儲能系統(tǒng)二次控制屏柜布置于充電站生產(chǎn)綜合用房二次設備室內(nèi)，其集成化、模塊化程度較低，運輸、施工難度較大。此類儲能系統(tǒng)僅適用于規(guī)模較大、建設有生產(chǎn)綜合用房的大型公交充電站。對于規(guī)模較小、因采用戶外設備而未建設生產(chǎn)綜合用房的充電站，新建此類儲能系統(tǒng)的土建施工量較大，且對場地、進出通道要求較高，難以推廣應用。本文提出了一種應用于電動公交車充電站內(nèi)的預制艙式儲能系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用模塊化建設思路，將儲能單元、變流設備以及二次監(jiān)控系統(tǒng)集成于標準集裝箱內(nèi)，克服傳統(tǒng)儲能系統(tǒng)占地大、建設困難的缺點，且便于運輸和現(xiàn)場安裝，具備更好的經(jīng)濟效益和應用前景。

1.典型接入方式與運行模式

儲能系統(tǒng)接入充電站內(nèi)380V母線，接受充電站內(nèi)監(jiān)控系統(tǒng)的控制，電動公交充電站內(nèi)接線方式如圖１所示。在電動公交車充電站內(nèi)，儲能系統(tǒng)典型運行模式包括以下兩種。

(1)并網(wǎng)運行模式：當電價處于谷時，儲能系統(tǒng)吸收電能并存儲；當電價為峰且站內(nèi)有車輛進行充電時，儲能系統(tǒng)通過380V母線為充電樁供電，通過峰谷價差提升充電站經(jīng)濟效益。

(2)離網(wǎng)運行模式：當充電站10kV進線因故退出運行而造成全站失電時，由儲能系統(tǒng)提供應急電源，為充電站內(nèi)應急用電負荷及部分充電樁供電，保障充電站正常運行；當充電站10kV進線恢復供電后，再由儲能系統(tǒng)存儲所需電能。以儲能系統(tǒng)作為“熱備用"，提高充電站運行可靠性。

2.總體結構

儲能系統(tǒng)由一次部分和二次部分共同構成，實現(xiàn)系統(tǒng)能量存儲、變換、運行環(huán)境監(jiān)控等功能，其總體結構如圖2所示。

儲能系統(tǒng)一次部分主要由雙向變流器（pcs）、直流匯流箱、電池柜等主要設備組成。雙向pcs實現(xiàn)交直流電能轉換，連接儲能系統(tǒng)直流部分與充電站內(nèi)交流部分，可根據(jù)控制系統(tǒng)下發(fā)的指令，改變功率流向，實現(xiàn)儲能系統(tǒng)充電／放電。直流匯流箱內(nèi)設直流母線和熔斷器，聯(lián)接雙向pcs和電池柜，實現(xiàn)電能的匯集和分配，當某個電池柜發(fā)生短路故障時，短路電流使熔斷器斷開，切除故障設備，保護整個儲能系統(tǒng)。電池柜主體由多個電池組串并聯(lián)而成，電池柜容量及數(shù)量由儲能系統(tǒng)總容量決定。每個電池柜內(nèi)設電池管理系統(tǒng)（bms）和均衡／采集模塊，實現(xiàn)電池組動態(tài)檢測和組間均衡。

儲能系統(tǒng)二次部分由智能控制系統(tǒng)、環(huán)境監(jiān)控設備及電池柜內(nèi)bms組成。智能控制系統(tǒng)由多臺服務器及相關后臺軟件組成，安裝在一面屏柜內(nèi)，具有人機交互界面。智能控制系統(tǒng)為儲能系統(tǒng)的核心控制器，執(zhí)行充電站控制系統(tǒng)下發(fā)的指令，實現(xiàn)儲能系統(tǒng)輸出／接收電能控制，并對儲能系統(tǒng)內(nèi)部運行環(huán)境進行監(jiān)控。

3.布置方案

儲能系統(tǒng)采用標準集裝箱式安裝方案，根據(jù)儲能系統(tǒng)電池容量的不同，采取不同規(guī)格的集裝箱。對于容量在800kW·ｈ以下的儲能系統(tǒng)，采用２０英尺標準集裝箱；對于800-1500kW·ｈ的儲能系統(tǒng)，采用４０英尺標準集裝箱；對于容量大于1500kW·ｈ的儲能系統(tǒng)，采用40英尺集裝箱。標準集裝箱內(nèi)進行分區(qū)布置，根據(jù)設備功能和運行特性將一次、二次設備布置于不同區(qū)域，便于運維人員操作和檢修。集裝箱底部為電纜夾層，作為電氣設備一次、二次電纜的主要通道；集裝箱主體分為電池室和控制室兩部分。

（1）電池室：電池柜及匯流箱等主要一次設備安裝在電池室內(nèi)。電池柜內(nèi)安裝的電池組由退役電動公交車動力電池構成。根據(jù)常用電動公交車動力電池的一般參數(shù)估算，每電池柜容量約為40~60kW·ｈ，電池柜尺寸為600ｍｍ×500ｍｍ×1200ｍｍ（長×寬×高），采用雙列布置的方式放置于電池室兩側。兩列電池柜中間預留檢修通道，便于運行人員日常巡檢及故障設備搬運。匯流箱與電池柜并排，布置在電池室內(nèi)靠近控制室的一側，以便于匯流箱與雙向pcs之間的接線。蓄電池、匯流箱與雙向pcs之間的一次電纜，連接至智能控制屏柜的二次電纜均引下至電纜夾層后敷設。除濕空調(diào)、感煙探測器、視頻監(jiān)控槍機等環(huán)境監(jiān)控設備布置在集裝箱頂部，其電源電纜和控制電纜穿pvc管后沿集裝箱壁敷設，連接至智能控制屏柜相應接口。

（2）控制室：控制室內(nèi)并排布置雙向pcs和智能控制屏柜。智能控制屏柜內(nèi)安裝多臺組屏式服務器，運行智能控制屏柜相關軟件，且集成顯示屏，通過人機交互界面展示儲能系統(tǒng)運行情況及溫度、濕度等集裝箱內(nèi)環(huán)境狀況。顯示屏面向檢修通道方向，以方便運維人員觀察和操作。設備一次、二次電纜敷設方式同電池室；環(huán)境監(jiān)控設備布

置方式同電池室。

為方便運維人員巡檢，在朝向檢修道路的方向開設巡視小門，便于人員在日常維護時進入電池室或控制室查看設備運行情況。同時在集裝箱兩側窄邊設置檢修大門，當電池室或控制室內(nèi)電氣設備出現(xiàn)故障需要更換時，通過小室內(nèi)預留的檢修通道和檢修大門移出故障設備。正常工作時檢修大門保持閉鎖狀態(tài)，人員由巡視小門出入。布置方案如圖３所示。

4.智能控制系統(tǒng)

智能控制系統(tǒng)由控制屏柜及環(huán)境監(jiān)控傳感器共同構成。智能控制屏柜為儲能系統(tǒng)的核心控制器，安裝有服務器、后臺軟件和人機交互界面。智能控制屏柜通過控制總線，接收每個電池柜內(nèi)電池管理系統(tǒng)上傳的運行數(shù)據(jù)，對電池柜進行監(jiān)控；同時接收來自充電站監(jiān)控系統(tǒng)的運行指令，生成控制策略發(fā)送至雙向pcs，實現(xiàn)儲能系統(tǒng)輸出／接收電能控制。

智能控制屏柜通過布置于集裝箱內(nèi)的各類環(huán)境監(jiān)控傳感器，對儲能系統(tǒng)的運行環(huán)境進行監(jiān)測和調(diào)節(jié)，并把運行數(shù)據(jù)及環(huán)境數(shù)據(jù)上傳至充電站監(jiān)控系統(tǒng)以便于運行人員實時觀察。智能控制系統(tǒng)主要包括如下功能。

（１）溫度監(jiān)控。通過除濕空調(diào)內(nèi)置溫度傳感器檢測預制艙內(nèi)溫度，當艙內(nèi)溫度高于30℃或低于0℃時，智能監(jiān)控系統(tǒng)啟動除濕空調(diào)制冷或制熱功能；當艙內(nèi)溫度高于50℃或低于－10℃時，除開啟空調(diào)制冷或制熱功能外，智能監(jiān)控系統(tǒng)還下發(fā)指令停止雙向pcs運行，斷開電池柜內(nèi)斷路器，并向充電站站內(nèi)監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)出高溫或者低溫報警。

（２）消防監(jiān)控。通過感煙探測器，對預制艙內(nèi)進行消防監(jiān)控。當探測到煙霧時，智能監(jiān)控系統(tǒng)下發(fā)指令停止雙向pcs運行，斷開電池柜內(nèi)斷路器，并向充電站站內(nèi)監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)出火災報警。

（３）濕度監(jiān)控。通過除濕空調(diào)內(nèi)濕度傳感器檢測預制艙內(nèi)濕度，當艙內(nèi)濕度超過50％時啟動除濕空調(diào)通風除濕功能。

（４）安防監(jiān)控。將預制艙內(nèi)視頻監(jiān)控槍機拍攝內(nèi)容存儲至后臺，當充電站站內(nèi)監(jiān)控系統(tǒng)下發(fā)調(diào)用指令時，將視頻數(shù)據(jù)上傳至站內(nèi)監(jiān)控系統(tǒng)，實現(xiàn)操作人員遠方查看。

5.安科瑞Acrel-2000ES儲能能量管理系統(tǒng)概述

5.1概述

安科瑞Acrel-2000ES儲能能量管理系統(tǒng)，專門針對工商業(yè)儲能柜、儲能集裝箱研發(fā)的一款儲能EMS，具有完善的儲能監(jiān)控與管理功能,涵蓋了儲能系統(tǒng)設備(PCS、BMS、電表、消防、空調(diào)等)的詳細信息,實現(xiàn)了數(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)計報表等功能。在高級應用上支持能量調(diào)度,具備計劃曲線、削峰填谷、需量控制、防逆流等控制功能。

5.2系統(tǒng)結構

Acrel-2000ES，可通過直采或者通過通訊管理或串口服務器將儲能柜或者儲能集裝箱內(nèi)部的設備接入系統(tǒng)。系統(tǒng)結構如下：

5.3接入設備

Acrel-2000ES，具備多種接口，多種協(xié)議對接的能力，支持多種設備接入。

5.4系統(tǒng)功能

5.4.1實時監(jiān)測

系統(tǒng)人機界面友好，能夠顯示儲能柜的運行狀態(tài)，實時監(jiān)測 PCS、BMS 以及環(huán)境參數(shù)信息，如電參量、溫度、濕度等。實時顯示有關故障、告警、收益等信息。

5.4.2設備監(jiān)控

系統(tǒng)能夠?qū)崟r監(jiān)測 PCS、BMS、電表、空調(diào)、消防、除濕機等設備的運行狀態(tài)及運行模式。

PCS 監(jiān)控：滿足儲能變流器的參數(shù)與限值設置；運行模式設置；實現(xiàn)儲能變流器交直流側 電壓、電流、功率及充放電量參數(shù)的采集與展示；實現(xiàn) PCS 通訊狀態(tài)、啟停狀態(tài)、開關狀態(tài)、 異常告警等狀態(tài)監(jiān)測。

BMS 監(jiān)控：滿足電池管理系統(tǒng)的參數(shù)與限值設置；實現(xiàn)儲能電池的電芯、電池簇的溫度、

電壓、電流的監(jiān)測；實現(xiàn)電池充放電狀態(tài)、電壓、電流及溫度異常狀態(tài)的告警。

空調(diào)監(jiān)控：滿足環(huán)境溫度的監(jiān)測，可根據(jù)設置的閾值進行空調(diào)溫度的聯(lián)動調(diào)節(jié)，并實時監(jiān)測空調(diào)的運行狀態(tài)及溫濕度數(shù)據(jù)，以曲線形式進行展示。

UPS 監(jiān)控：滿足 UPS 的運行狀態(tài)及相關電參量監(jiān)測。

5.4.3 曲線報表

系統(tǒng)能夠?qū)?PCS 充放電功率曲線、SOC 變換曲線、及電壓、電流、溫度等歷史曲線的查詢與展示。

5.4.4策略配置

滿足儲能系統(tǒng)設備參數(shù)的配置、電價參數(shù)與時段的設置、控制策略的選擇。目前支持的控制策略包含計劃曲線、削峰填谷、需量控制等。

5.4.5實時報警

儲能能量管理系統(tǒng)具有實時告警功能，系統(tǒng)能夠?qū)δ艹浞烹娫较蕖囟仍较?、設備故障或通信故障等事件發(fā)出告警。

5.4.6事件查詢統(tǒng)計

儲能能量管理系統(tǒng)能夠?qū)b信變位，溫濕度、電壓越限等事件記錄進行存儲和管理，方便用戶對系統(tǒng)事件和報警進行歷史追溯，查詢統(tǒng)計、事故分析。

5.4.7遙控操作

可以通過每個設備下面的紅色按鈕對 PCS、風機、除濕機、空調(diào)控制器、照明等設備進行相應的控制，但是當設備未通信上時，控制按鈕會顯示無效狀態(tài)。

5.4.8用戶權限管理

儲能能量管理系統(tǒng)為保障系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行，設置了用戶權限管理功能。通過用戶權限管理能夠防止未經(jīng)授權的操作（如遙控的操作，數(shù)據(jù)庫修改等）?？梢远x不同級別用戶的登錄名、密碼及操作權限，為系統(tǒng)運行、維護、管理提供可靠的安全保障。

5.4.9安科瑞配套產(chǎn)品

6 結語

本文研究了一種適用于電動公交車充電站的預制艙式儲能系統(tǒng)。不同于傳統(tǒng)的儲能系統(tǒng)，本系統(tǒng)采用模塊化設計思路，將主要設備集成在標準集裝箱內(nèi)，具有占地小、接線簡單、便于運輸及安裝的特點，適用于布置緊湊、缺少大型生產(chǎn)綜合用房的城市電動公交車充電站，具有較好的應用推廣前景。除儲能單元、變流單元等一次設備外，預制艙式儲能系統(tǒng)同時集成了智能控制屏柜，對整體系統(tǒng)的運行環(huán)境、控制策略、安防等方面進行集中監(jiān)控，保障了預制艙式儲能系統(tǒng)安全高效運行。

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作者簡介：

任運業(yè)，男，現(xiàn)任職于安科瑞電氣股份有限公司。