淺談電動(dòng)公交充電站預(yù)制艙式儲(chǔ)能系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案研究

任運(yùn)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(yù)制艙式儲(chǔ)能系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，將主要的儲(chǔ)能、變流設(shè)備及二次監(jiān)控設(shè)備集成于標(biāo)準(zhǔn)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(yùn)輸安裝便利等優(yōu)點(diǎn)，適用于市區(qū)內(nèi)電動(dòng)公交車充電站。設(shè)計(jì)了智能監(jiān)控系統(tǒng)，對(duì)儲(chǔ)能系統(tǒng)運(yùn)行、環(huán)境、安防進(jìn)行集中監(jiān)控，保障了系統(tǒng)的安全高效運(yùn)行。

關(guān)鍵詞：電動(dòng)公交車充電站；儲(chǔ)能系統(tǒng)；預(yù)制艙；智能監(jiān)控

0引言

相比于傳統(tǒng)燃油公交車，電動(dòng)公交車以電代油，具有零pai放、低噪音、低能耗等優(yōu)勢(shì)。隨著電池、車載電機(jī)等相關(guān)技術(shù)的不斷發(fā)展，電動(dòng)公交車在國內(nèi)乃至quan世界范圍內(nèi)逐步推廣應(yīng)用。動(dòng)力電池是電動(dòng)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(yùn)。為保障車輛正常行駛并具備一定的應(yīng)急能力和安全裕量，根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，當(dāng)電池容量衰減至80％以下時(shí)即無法繼續(xù)應(yīng)用于交通工具，需進(jìn)行回收處理。根據(jù)目前電池技術(shù)及電動(dòng)公交車營運(yùn)經(jīng)驗(yàn)，動(dòng)力電池在3~5年后便不適合在電動(dòng)公交車上使用，但可繼續(xù)應(yīng)用于其它場(chǎng)合。通過充電站內(nèi)新建儲(chǔ)能系統(tǒng)，可平抑多臺(tái)快充樁同時(shí)使用對(duì)配電線路帶來的功率沖擊，并利用電價(jià)峰谷價(jià)差節(jié)約站用電成本，是提高退役動(dòng)力電池利用率、降低充電站運(yùn)營成本、提升充電站內(nèi)供電可靠性的有效手段。傳統(tǒng)儲(chǔ)能系統(tǒng)均采用戶內(nèi)設(shè)備，需在充電站生產(chǎn)綜合用房?jī)?nèi)專門設(shè)置儲(chǔ)能單元室，以布置儲(chǔ)能系統(tǒng)一次設(shè)備（包括電池、匯流箱、變流器等）；儲(chǔ)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(shè)備室內(nèi)，其集成化、模塊化程度較低，運(yùn)輸、施工難度較大。此類儲(chǔ)能系統(tǒng)僅適用于規(guī)模較大、建設(shè)有生產(chǎn)綜合用房的大型公交充電站。對(duì)于規(guī)模較小、因采用戶外設(shè)備而未建設(shè)生產(chǎn)綜合用房的充電站，新建此類儲(chǔ)能系統(tǒng)的土建施工量較大，且對(duì)場(chǎng)地、進(jìn)出通道要求較高，難以推廣應(yīng)用。本文提出了一種應(yīng)用于電動(dòng)公交車充電站內(nèi)的預(yù)制艙式儲(chǔ)能系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用模塊化建設(shè)思路，將儲(chǔ)能單元、變流設(shè)備以及二次監(jiān)控系統(tǒng)集成于標(biāo)準(zhǔn)集裝箱內(nèi)，克服傳統(tǒng)儲(chǔ)能系統(tǒng)占地大、建設(shè)困難的缺點(diǎn)，且便于運(yùn)輸和現(xiàn)場(chǎng)安裝，具備更好的經(jīng)濟(jì)效益和應(yīng)用前景。

1.典型接入方式與運(yùn)行模式

儲(chǔ)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(dòng)公交充電站內(nèi)接線方式如圖１所示。在電動(dòng)公交車充電站內(nèi)，儲(chǔ)能系統(tǒng)典型運(yùn)行模式包括以下兩種。

(1)并網(wǎng)運(yùn)行模式：當(dāng)電價(jià)處于谷時(shí)，儲(chǔ)能系統(tǒng)吸收電能并存儲(chǔ)；當(dāng)電價(jià)為峰且站內(nèi)有車輛進(jìn)行充電時(shí)，儲(chǔ)能系統(tǒng)通過380V母線為充電樁供電，通過峰谷價(jià)差提升充電站經(jīng)濟(jì)效益。

(2)離網(wǎng)運(yùn)行模式：當(dāng)充電站10kV進(jìn)線因故退出運(yùn)行而造成全站失電時(shí)，由儲(chǔ)能系統(tǒng)提供應(yīng)急電源，為充電站內(nèi)應(yīng)急用電負(fù)荷及部分充電樁供電，保障充電站正常運(yùn)行；當(dāng)充電站10kV進(jìn)線恢復(fù)供電后，再由儲(chǔ)能系統(tǒng)存儲(chǔ)所需電能。以儲(chǔ)能系統(tǒng)作為“熱備用"，提高充電站運(yùn)行可靠性。

2.總體結(jié)構(gòu)

儲(chǔ)能系統(tǒng)由一次部分和二次部分共同構(gòu)成，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)能量存儲(chǔ)、變換、運(yùn)行環(huán)境監(jiān)控等功能，其總體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

儲(chǔ)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(shè)備組成。雙向pcs實(shí)現(xiàn)交直流電能轉(zhuǎn)換，連接儲(chǔ)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(shí)現(xiàn)儲(chǔ)能系統(tǒng)充電／放電。直流匯流箱內(nèi)設(shè)直流母線和熔斷器，聯(lián)接雙向pcs和電池柜，實(shí)現(xiàn)電能的匯集和分配，當(dāng)某個(gè)電池柜發(fā)生短路故障時(shí)，短路電流使熔斷器斷開，切除故障設(shè)備，保護(hù)整個(gè)儲(chǔ)能系統(tǒng)。電池柜主體由多個(gè)電池組串并聯(lián)而成，電池柜容量及數(shù)量由儲(chǔ)能系統(tǒng)總?cè)萘繘Q定。每個(gè)電池柜內(nèi)設(shè)電池管理系統(tǒng)（bms）和均衡／采集模塊，實(shí)現(xiàn)電池組動(dòng)態(tài)檢測(cè)和組間均衡。

儲(chǔ)能系統(tǒng)二次部分由智能控制系統(tǒng)、環(huán)境監(jiān)控設(shè)備及電池柜內(nèi)bms組成。智能控制系統(tǒng)由多臺(tái)服務(wù)器及相關(guān)后臺(tái)軟件組成，安裝在一面屏柜內(nèi)，具有人機(jī)交互界面。智能控制系統(tǒng)為儲(chǔ)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(shí)現(xiàn)儲(chǔ)能系統(tǒng)輸出／接收電能控制，并對(duì)儲(chǔ)能系統(tǒng)內(nèi)部運(yùn)行環(huán)境進(jìn)行監(jiān)控。

3.布置方案

儲(chǔ)能系統(tǒng)采用標(biāo)準(zhǔn)集裝箱式安裝方案，根據(jù)儲(chǔ)能系統(tǒng)電池容量的不同，采取不同規(guī)格的集裝箱。對(duì)于容量在800kW·ｈ以下的儲(chǔ)能系統(tǒng)，采用２０英尺標(biāo)準(zhǔn)集裝箱；對(duì)于800-1500kW·ｈ的儲(chǔ)能系統(tǒng)，采用４０英尺標(biāo)準(zhǔn)集裝箱；對(duì)于容量大于1500kW·ｈ的儲(chǔ)能系統(tǒng)，采用40英尺集裝箱。標(biāo)準(zhǔn)集裝箱內(nèi)進(jìn)行分區(qū)布置，根據(jù)設(shè)備功能和運(yùn)行特性將一次、二次設(shè)備布置于不同區(qū)域，便于運(yùn)維人員操作和檢修。集裝箱底部為電纜夾層，作為電氣設(shè)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(shè)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(dòng)公交車動(dòng)力電池構(gòu)成。根據(jù)常用電動(dòng)公交車動(dòng)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(zhǎng)×寬×高），采用雙列布置的方式放置于電池室兩側(cè)。兩列電池柜中間預(yù)留檢修通道，便于運(yùn)行人員日常巡檢及故障設(shè)備搬運(yùn)。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(cè)，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(shè)。除濕空調(diào)、感煙探測(cè)器、視頻監(jiān)控槍機(jī)等環(huán)境監(jiān)控設(shè)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(shè)，連接至智能控制屏柜相應(yīng)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(tái)組屏式服務(wù)器，運(yùn)行智能控制屏柜相關(guān)軟件，且集成顯示屏，通過人機(jī)交互界面展示儲(chǔ)能系統(tǒng)運(yùn)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(yùn)維人員觀察和操作。設(shè)備一次、二次電纜敷設(shè)方式同電池室；環(huán)境監(jiān)控設(shè)備布

置方式同電池室。

為方便運(yùn)維人員巡檢，在朝向檢修道路的方向開設(shè)巡視小門，便于人員在日常維護(hù)時(shí)進(jìn)入電池室或控制室查看設(shè)備運(yùn)行情況。同時(shí)在集裝箱兩側(cè)窄邊設(shè)置檢修大門，當(dāng)電池室或控制室內(nèi)電氣設(shè)備出現(xiàn)故障需要更換時(shí)，通過小室內(nèi)預(yù)留的檢修通道和檢修大門移出故障設(shè)備。正常工作時(shí)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(gòu)成。智能控制屏柜為儲(chǔ)能系統(tǒng)的核心控制器，安裝有服務(wù)器、后臺(tái)軟件和人機(jī)交互界面。智能控制屏柜通過控制總線，接收每個(gè)電池柜內(nèi)電池管理系統(tǒng)上傳的運(yùn)行數(shù)據(jù)，對(duì)電池柜進(jìn)行監(jiān)控；同時(shí)接收來自充電站監(jiān)控系統(tǒng)的運(yùn)行指令，生成控制策略發(fā)送至雙向pcs，實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)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(duì)儲(chǔ)能系統(tǒng)的運(yùn)行環(huán)境進(jìn)行監(jiān)測(cè)和調(diào)節(jié)，并把運(yùn)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(yùn)行人員實(shí)時(shí)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(cè)預(yù)制艙內(nèi)溫度，當(dāng)艙內(nèi)溫度高于30℃或低于0℃時(shí)，智能監(jiān)控系統(tǒng)啟動(dòng)除濕空調(diào)制冷或制熱功能；當(dāng)艙內(nèi)溫度高于50℃或低于－10℃時(shí)，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(yùn)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(bào)警。

（２）消防監(jiān)控。通過感煙探測(cè)器，對(duì)預(yù)制艙內(nèi)進(jìn)行消防監(jiān)控。當(dāng)探測(cè)到煙霧時(shí)，智能監(jiān)控系統(tǒng)下發(fā)指令停止雙向pcs運(yùn)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(zāi)報(bào)警。

（３）濕度監(jiān)控。通過除濕空調(diào)內(nèi)濕度傳感器檢測(cè)預(yù)制艙內(nèi)濕度，當(dāng)艙內(nèi)濕度超過50％時(shí)啟動(dòng)除濕空調(diào)通風(fēng)除濕功能。

（４）安防監(jiān)控。將預(yù)制艙內(nèi)視頻監(jiān)控槍機(jī)拍攝內(nèi)容存儲(chǔ)至后臺(tái)，當(dāng)充電站站內(nèi)監(jiān)控系統(tǒng)下發(fā)調(diào)用指令時(shí)，將視頻數(shù)據(jù)上傳至站內(nèi)監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)操作人員遠(yuǎn)方查看。

5.安科瑞Acrel-2000ES儲(chǔ)能能量管理系統(tǒng)概述

5.1概述

安科瑞Acrel-2000ES儲(chǔ)能能量管理系統(tǒng)，專門針對(duì)工商業(yè)儲(chǔ)能柜、儲(chǔ)能集裝箱研發(fā)的一款儲(chǔ)能EMS，具有完善的儲(chǔ)能監(jiān)控與管理功能,涵蓋了儲(chǔ)能系統(tǒng)設(shè)備(PCS、BMS、電表、消防、空調(diào)等)的詳細(xì)信息,實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)查詢與分析、可視化監(jiān)控、報(bào)警管理、統(tǒng)計(jì)報(bào)表等功能。在高級(jí)應(yīng)用上支持能量調(diào)度,具備計(jì)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(jié)構(gòu)

Acrel-2000ES，可通過直采或者通過通訊管理或串口服務(wù)器將儲(chǔ)能柜或者儲(chǔ)能集裝箱內(nèi)部的設(shè)備接入系統(tǒng)。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如下：

5.3接入設(shè)備

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

5.4系統(tǒng)功能

5.4.1實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)

系統(tǒng)人機(jī)界面友好，能夠顯示儲(chǔ)能柜的運(yùn)行狀態(tài)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè) PCS、BMS 以及環(huán)境參數(shù)信息，如電參量、溫度、濕度等。實(shí)時(shí)顯示有關(guān)故障、告警、收益等信息。

5.4.2設(shè)備監(jiān)控

系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè) PCS、BMS、電表、空調(diào)、消防、除濕機(jī)等設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)及運(yùn)行模式。

PCS 監(jiān)控：滿足儲(chǔ)能變流器的參數(shù)與限值設(shè)置；運(yùn)行模式設(shè)置；實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)能變流器交直流側(cè) 電壓、電流、功率及充放電量參數(shù)的采集與展示；實(shí)現(xiàn) PCS 通訊狀態(tài)、啟停狀態(tài)、開關(guān)狀態(tài)、 異常告警等狀態(tài)監(jiān)測(cè)。

BMS 監(jiān)控：滿足電池管理系統(tǒng)的參數(shù)與限值設(shè)置；實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)能電池的電芯、電池簇的溫度、

電壓、電流的監(jiān)測(cè)；實(shí)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(cè)，可根據(jù)設(shè)置的閾值進(jìn)行空調(diào)溫度的聯(lián)動(dòng)調(diào)節(jié)，并實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)空調(diào)的運(yùn)行狀態(tài)及溫濕度數(shù)據(jù)，以曲線形式進(jìn)行展示。

UPS 監(jiān)控：滿足 UPS 的運(yùn)行狀態(tài)及相關(guān)電參量監(jiān)測(cè)。

5.4.3 曲線報(bào)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(chǔ)能系統(tǒng)設(shè)備參數(shù)的配置、電價(jià)參數(shù)與時(shí)段的設(shè)置、控制策略的選擇。目前支持的控制策略包含計(jì)劃曲線、削峰填谷、需量控制等。

5.4.5實(shí)時(shí)報(bào)警

儲(chǔ)能能量管理系統(tǒng)具有實(shí)時(shí)告警功能，系統(tǒng)能夠?qū)?chǔ)能充放電越限、溫度越限、設(shè)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(jì)

儲(chǔ)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(jìn)行存儲(chǔ)和管理，方便用戶對(duì)系統(tǒng)事件和報(bào)警進(jìn)行歷史追溯，查詢統(tǒng)計(jì)、事故分析。

5.4.7遙控操作

可以通過每個(gè)設(shè)備下面的紅色按鈕對(duì) PCS、風(fēng)機(jī)、除濕機(jī)、空調(diào)控制器、照明等設(shè)備進(jìn)行相應(yīng)的控制，但是當(dāng)設(shè)備未通信上時(shí)，控制按鈕會(huì)顯示無效狀態(tài)。

5.4.8用戶權(quán)限管理

儲(chǔ)能能量管理系統(tǒng)為保障系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行，設(shè)置了用戶權(quán)限管理功能。通過用戶權(quán)限管理能夠防止未經(jīng)授權(quán)的操作（如遙控的操作，數(shù)據(jù)庫修改等）。可以定義不同級(jí)別用戶的登錄名、密碼及操作權(quán)限，為系統(tǒng)運(yùn)行、維護(hù)、管理提供可靠的安全保障。

5.4.9安科瑞配套產(chǎn)品

6 結(jié)語

本文研究了一種適用于電動(dòng)公交車充電站的預(yù)制艙式儲(chǔ)能系統(tǒng)。不同于傳統(tǒng)的儲(chǔ)能系統(tǒng)，本系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì)思路，將主要設(shè)備集成在標(biāo)準(zhǔn)集裝箱內(nèi)，具有占地小、接線簡(jiǎn)單、便于運(yùn)輸及安裝的特點(diǎn)，適用于布置緊湊、缺少大型生產(chǎn)綜合用房的城市電動(dòng)公交車充電站，具有較好的應(yīng)用推廣前景。除儲(chǔ)能單元、變流單元等一次設(shè)備外，預(yù)制艙式儲(chǔ)能系統(tǒng)同時(shí)集成了智能控制屏柜，對(duì)整體系統(tǒng)的運(yùn)行環(huán)境、控制策略、安防等方面進(jìn)行集中監(jiān)控，保障了預(yù)制艙式儲(chǔ)能系統(tǒng)安全高效運(yùn)行。

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作者簡(jiǎn)介：

任運(yùn)業(yè)，男，現(xiàn)任職于安科瑞電氣股份有限公司。