箱式商用儲能系統結構分析

朱業清

?

箱式商用儲能系統結構分析

朱業清

（江蘇天合儲能有限公司，江蘇 常州 213031）

主要針對儲能系統集裝箱的整體結構進行了靜強度分析，并對其在海洋運輸過程中在一定頻率的波浪載荷作用下的強度進行了分析。基于某工程實際使用的集裝箱設計模型，建立了其有限元模型并進行了仿真分析，分析結果表明其強度滿足使用需要。目前，此結構形式的集裝箱已經運達工程現場，完成安裝，結果證明了有限元仿真分析的有效性及可行性。

儲能系統；強度分析；譜分析；波浪載荷

隨著國家節能減排的政策引導，新能源行業迅猛發展，一體式儲能系統應運而生。商用一體式儲能系統中，主要將電池簇、雙向變流器、配電柜等部分集成安裝在一個外形標準的集裝箱體內部，主要以并網或者離網的形式存在，并網可以削峰填谷，為電網平衡減壓、平滑負荷、降低用電成本；離網可作為微電網的重要組成部分，形成光、儲、柴等多形式發電系統[1]。以下原因促使儲能系統產生并發展：①不斷增加的總用電量、日益增大的電力消耗的日夜峰谷差；②可再生能源的輸出功率具有隨機性和間歇性波動；③可再生能源在電力系統中所占比例逐漸增加，其并網穩定性已成為用戶對負荷側電能質量新的更高的要求[2-3]。

安裝及建設周期方面：一體式儲能系統交付客戶時，內部各設備已完成安裝、布線、調試，可以正常使用。到工程現場后只需簡單地接口安裝及調試后，即可運行使用。因此，其安裝靈活、建設周期短，是現階段較適合于工程應用的技術[4]。集裝箱式外形，可與普通集裝箱一同運輸，具有更大的通用性，便于安裝、運輸、占地少、移動靈活等特點，作為一種新的儲能設備，受到人們廣泛重視[5]。本工程主要為100～300 kW功率等級，100～300 kW·h電量等級，外形尺寸約為10尺、20尺集裝箱（1尺約為0.33 m），重量主要集中在電池簇及逆變器位置，受力集中在主框架，為了節約時間，在不影響分析結果的情況下，對分析模型進行合理簡化。

1 框架分析模型

圖1為框架分析模型，本分析模型選用10尺外形箱體框架，框架選用Q235矩形鋼型材。整體框架結構，根據內部器件位置布置，整體按照對稱、重心居中的原則排列。四周框架選用較大矩形鋼，考慮吊裝及堆疊，主要對材料的抗拉強度及屈服強度要求較高。底框架上表面為主要受力面，為內部各設備安裝面。整體架構采用焊接方式，重要連接位置采用滿焊，圓滑過渡，用以消減應力集中。圖2為局部網格劃分放大圖。材料主要參數方面，彈性模量為2.06×105MPa，泊松比0.3，屈服強度為235 MPa。

圖1 底框架模型

圖2 網格劃分重要位置

2 結果分析

2.1 靜力分析

圖3為整體形變量梯度圖，圖4為應力大小梯度圖。如圖3所示，最大變形量處于中間位置紅色部分，最大形變量2.098 mm，最大應力在角件連接處結構位置為126.8 MPa，存在應力集中，可通過改善焊接工藝調整，降低實際應力大小。底框架整體應力不超過60 MPa，符合強度要求。此箱體用于海外，考慮海運過程中的吊裝及大風浪的小概率事故發生，設計強度比較高，設計均選用標準型材。

2.2 模態分析

船舶在波浪中，特別是海況較為惡劣時，易產生大幅橫搖運動。船舶做大幅橫搖運動時表現出復雜的非線性動力學動作，嚴重的非線性橫搖運動在波浪外激勵或其他激勵擾動下極易導致船舶的傾覆。大型船舶在海運過程中，除了受自身重力載荷外，還受到風、浪、流等外界載荷作用，箱體與船體一起運動，產生橫搖、升沉、縱搖等6個自由度的運動[6]。圖5為模態一階變形結果，圖4為一階頻率形變量。根據模態仿真結果顯示，框架自身頻率共計算五階，參考運載船本身，主要看第一階，計算結果為11.933 Hz，變形量為1.523 7 mm。形變量小，符合設計要求。

圖3 變形結果

圖4 應力結果

圖5 模態一階變形結果

模態分析六階頻率如表1所示。

表1 模態分析六階頻率

Mode123456 Frequency/Hz11.93314.76514.89319.49829.75642.383

2.3 譜分析

箱體在海運時，船體受到波浪載荷的沖擊，此動載荷是復雜的非線性問題。進行惡劣海況下整體結構安全的客觀評估主要有理論估算和實船測試。據實測海況條件，縱搖和橫搖周期均為10 s。根據實測海況條件，取ITTC譜形式，即有義波高1/3=3.8 m，平均周期1=8.4 s。按照現行的我國國家海浪標準，有義波高1/3=3.785 m，為5級浪，稱為大浪；6級浪的浪高標準為有義波高為4.0～6.0 m，稱為巨浪。平均周期沒有規定[7]。而參考美國海軍浪級標準，6級巨浪的有義波高為5.5 m，平均周期1=7.9 s，譜型為ITTC譜，由于該海浪環境規定比較明確，所以采用這組數據。模態分析主要計算出箱體主框架自身的頻率及相應的變形量。通過查閱資料，海浪周期一般為13 s，頻率很低，不會與箱體自身頻率產生共振。模態分析為譜分析做準備。

根據理論力學，橫擺加速度為：

式（1）中：為船寬；1為橫擺角度；θ為周期。

則：

式（2）中：為系數，參見《海船法定檢驗技術規則》；為船舶中心至基線的垂直高度；0為船舶未計入自由液面修正的初穩性高度。

參考工程實際，確定船寬、橫擺角度、周期，得出相應的加速度。根據不同的頻率及相應的加速度，等效施加在集裝箱框架上，得出譜分析結果，海浪不同頻率對應加速度如表2所示。

表2 海浪不同頻率對應加速度

周期/s109.598.587.57 頻率/Hz0.10.1050.1110.1180.1250.1330.143 加速度/（m/s）0.5250.580.650.730.820.931.07

圖6 變形結果

圖7 變形結果

圖6為整體形變量，圖7為定向形變量。在靜力分析、模態分析基礎上，進行譜分析，計算結果顯示，變形量很小，整體框架強度符合正常使用及海運過程所需的強度要求。

3 結論

基于某工程實際使用的設計模型，建立有限元模型，分析結果表明強度滿足使用需要。目前，此結構形式已經運達工程現場，完成了安裝，證明了有限元仿真分析的有效性及可行性。本次強度分析主要采用Workbench先進的耦合分析思路。結合實際工程需要，主要針對強度進行分析驗證，提供了一個結構強度分析方法，有助于此類問題的解決。

［1］Oudalov A，Chartouni D，Ohler C.Optimizing a battery energy storage system for primary frequency control［J］. IEEE Transactions on Power Systems，2007（03）：1259-1266．

［2］Kyung S K，Mckenzie K J，Liu Yilu，et al.A study on applications of energy storage for the wind power operation in power systems［C］//IEEE Power Engineering Society General Meeting，2006.

［3］Lu M S，Chang C L，Lee W J，et al.Combining the wind power generation system with energy storage equipment［J］.IEEE Trans.on Industry Application，2009，45（06）：2109-2115.

［4］張子峰，王林，陳東紅，等.集裝箱儲能系統散熱及抗震性研究［J］.儲能科學與技術，2013，2（06）：642-648．

［5］房凱，孫威，徐少華，等.箱式一體化儲能系統研究概述［J］.電器與能效管理技術，2017（07）：69-72.

［6］冷志，秦立成.駁船載大型軟管滾筒海上運輸強度分析［J］.石油和化工設備，2018，21（05）：28-30.

［7］邱強，陳敏康，潘良，等.惡劣海況下船體波浪載荷的統計推斷［J］.中國艦船研究，2016，11（06）：47-55.

2095－6835（2019）03－0033－02

TM912

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2019.03.033

朱業清（1984—），男，河南商丘人，工程師，碩士，研究方向為儲能系統結構設計及仿真分析。

〔編輯：張思楠〕