基于Workbench的新能源電力系統供電儲能箱結構仿真

孫換春

（陜西省地方電力（集團）有限公司延安供電分公司，陜西延安716000）

0 引言

隨著經濟的飛速發展，整個社會對能源的依賴性越來越強，風能、太陽能、海洋能、地熱能等新能源的開發利用受到了社會的高度重視。盡管這些新能源被廣泛用于發電系統中，并且其比例正在增加，但是由于可再生能源的隨機性和間歇性，其使用受到了限制。新能源電力系統儲能技術的使用確保了新能源電力系統的穩定運行。本文基于Workbench對新能源電力系統供電儲能箱的結構進行了仿真分析。

1 電池儲能的類型和鋰電池特點

電池種類較多，主要用于儲能的有鋰離子電池、鉛酸電池、鈉硫電池等。通過分析能量轉換效率、能量存儲容量、技術成熟度、實施成本、風險分析等因素可以發現，鋰電池優于鉛酸電池[1]。鋰離子電池是具有高能量效率和能量密度的儲能電池。鋰電池儲能系統主要由電池單元、充放電系統和電池管理系統組成，總效率約為92%。鋰離子電池沒有記憶效應，反復充放電次數也較高，是一種理想的新能源電力系統儲能電池[2]。

2 新能源電力系統供電儲能箱結構仿真分析

2.1 三維模型的建立及網格劃分

為了減輕風力發電不穩定性對電力系統的影響，采用鋰電池儲能的方式來調節風力發電高峰和波谷。鋰電池儲能箱是將多個鋰電池單元通過串聯或并聯的方式集成在供電儲能箱內。儲能箱的材質為Q235，厚度為2 mm，本文以長500 mm、寬400 mm的儲能箱為例進行有限元仿真分析，采用SolidWorks三維軟件繪制了新能源電力系統供電儲能箱的三維模型，忽略了對仿真分析沒有影響的倒角、小孔等特征，隱藏了箱蓋、電池單元、電池管理系統，儲能箱下箱體的三維模型圖如圖1所示。

圖1 新能源電力系統供電儲能箱三維模型圖

由于新能源電力系統供電儲能箱的結構相對較為規則，因此本文利用ANSYS模塊中的meshing網格劃分工具進行網格劃分，網格的類型是結構化網格。網格劃分完成后得到網格數為762 862。

2.2 邊界條件設置及仿真求解

首先，本文在三維繪圖軟件SolidWorks中繪制了新能源電力系統供電儲能箱的三維模型，然后將三維模型導入ANSYS中進行有限元仿真求解。新能源電力系統供電儲能箱的材料為Q235，考慮到儲能箱結構設備的最大重量作為極限工況進行分析，最大載荷為1 000 N，受力面為儲能箱的下底面與側面，下底面主要受到重力載荷，側面主要受到沖擊載荷。新能源電力系統供電儲能箱的應力分布云圖如圖2所示，變形分布云圖如圖3所示。

圖2 新能源電力系統供電儲能箱應力分布云圖

圖3 新能源電力系統供電儲能箱變形分布云圖

由圖2可知，新能源電力系統供電儲能箱的最大應力為138.28 MPa，最大應力分布在上下底面兩側的位置，最小應力分布在下底面中心的位置。最大應力小于屈服極限，但應力集中現象仍較為明顯，在極限工況下仍然存在應力集中導致儲能箱失效的現象。

由圖3可知，新能源電力系統供電儲能箱的最大變形發生在兩側板上部中間部位，最大變形量約為0.33 mm，最小變形發生在下底面，變形量相對較小，但是仍然存在一定的變形，可能會使儲能箱內部鋰離子電池晃動。

2.3 結構優化后的求解結果

根據圖2和圖3的仿真結果，對新能源電力系統供電儲能箱應力集中和變形進行改善，儲能箱的整體厚度增加了0.5 mm，結構優化后新能源電力系統供電儲能箱的應力分布云圖如圖4所示，變形分布云圖如圖5所示。

圖4 優化后儲能箱的應力分布云圖

圖5 優化后儲能箱的變形分布云圖

由圖4可知，結構優化后儲能箱的最大應力為110.62 MPa，最大應力分布在兩側板的下底面，最小應力分布在前后板的中間位置。最大應力與優化前相比得到了明顯改善，可以承受更大的載荷。

由圖5可知，優化后新能源電力系統供電儲能箱的最大變形仍然發生在兩側板上部中間部位，最大變形量約為0.16 mm，最小變形發生在儲能箱下底面，變形量與優化前相比得到了明顯降低，有利于保證儲能箱的穩定性和可靠性。

3 結語

綜上所述，儲能系統對新能源電力系統的穩定運行有著重要影響，要根據新能源電力系統的實際情況，因地制宜，選擇最合適的儲能類型。通過有限元仿真可以發現，適當增加電力系統鋰電池儲能箱的厚度，可以有效改善儲能箱的應力集中和變形現象。