朱業(yè)清

?

箱式商用儲能系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分析

朱業(yè)清

（江蘇天合儲能有限公司，江蘇 常州 213031）

主要針對儲能系統(tǒng)集裝箱的整體結(jié)構(gòu)進(jìn)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(jìn)行了分析。基于某工程實際使用的集裝箱設(shè)計模型，建立了其有限元模型并進(jìn)行了仿真分析，分析結(jié)果表明其強度滿足使用需要。目前，此結(jié)構(gòu)形式的集裝箱已經(jīng)運達(dá)工程現(xiàn)場，完成安裝，結(jié)果證明了有限元仿真分析的有效性及可行性。

儲能系統(tǒng)；強度分析；譜分析；波浪載荷

隨著國家節(jié)能減排的政策引導(dǎo)，新能源行業(yè)迅猛發(fā)展，一體式儲能系統(tǒng)應(yīng)運而生。商用一體式儲能系統(tǒng)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(biāo)準(zhǔn)的集裝箱體內(nèi)部，主要以并網(wǎng)或者離網(wǎng)的形式存在，并網(wǎng)可以削峰填谷，為電網(wǎng)平衡減壓、平滑負(fù)荷、降低用電成本；離網(wǎng)可作為微電網(wǎng)的重要組成部分，形成光、儲、柴等多形式發(fā)電系統(tǒng)[1]。以下原因促使儲能系統(tǒng)產(chǎn)生并發(fā)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(tǒng)中所占比例逐漸增加，其并網(wǎng)穩(wěn)定性已成為用戶對負(fù)荷側(cè)電能質(zhì)量新的更高的要求[2-3]。

安裝及建設(shè)周期方面：一體式儲能系統(tǒng)交付客戶時，內(nèi)部各設(shè)備已完成安裝、布線、調(diào)試，可以正常使用。到工程現(xiàn)場后只需簡單地接口安裝及調(diào)試后，即可運行使用。因此，其安裝靈活、建設(shè)周期短，是現(xiàn)階段較適合于工程應(yīng)用的技術(shù)[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(shè)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(jié)約時間，在不影響分析結(jié)果的情況下，對分析模型進(jìn)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(jié)構(gòu)，根據(jù)內(nèi)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(nèi)部各設(shè)備安裝面。整體架構(gòu)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(yīng)力集中。圖2為局部網(wǎng)格劃分放大圖。材料主要參數(shù)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(wǎng)格劃分重要位置

2 結(jié)果分析

2.1 靜力分析

圖3為整體形變量梯度圖，圖4為應(yīng)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(yīng)力在角件連接處結(jié)構(gòu)位置為126.8 MPa，存在應(yīng)力集中，可通過改善焊接工藝調(diào)整，降低實際應(yīng)力大小。底框架整體應(yīng)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(fēng)浪的小概率事故發(fā)生，設(shè)計強度比較高，設(shè)計均選用標(biāo)準(zhǔn)型材。

2.2 模態(tài)分析

船舶在波浪中，特別是海況較為惡劣時，易產(chǎn)生大幅橫搖運動。船舶做大幅橫搖運動時表現(xiàn)出復(fù)雜的非線性動力學(xué)動作，嚴(yán)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(dǎo)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(fēng)、浪、流等外界載荷作用，箱體與船體一起運動，產(chǎn)生橫搖、升沉、縱搖等6個自由度的運動[6]。圖5為模態(tài)一階變形結(jié)果，圖4為一階頻率形變量。根據(jù)模態(tài)仿真結(jié)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(jié)果為11.933 Hz，變形量為1.523 7 mm。形變量小，符合設(shè)計要求。

圖3 變形結(jié)果

圖4 應(yīng)力結(jié)果

圖5 模態(tài)一階變形結(jié)果

模態(tài)分析六階頻率如表1所示。

表1 模態(tài)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(fù)雜的非線性問題。進(jìn)行惡劣海況下整體結(jié)構(gòu)安全的客觀評估主要有理論估算和實船測試。據(jù)實測海況條件，縱搖和橫搖周期均為10 s。根據(jù)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(xiàn)行的我國國家海浪標(biāo)準(zhǔn)，有義波高1/3=3.785 m，為5級浪，稱為大浪；6級浪的浪高標(biāo)準(zhǔn)為有義波高為4.0～6.0 m，稱為巨浪。平均周期沒有規(guī)定[7]。而參考美國海軍浪級標(biāo)準(zhǔn)，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(huán)境規(guī)定比較明確，所以采用這組數(shù)據(jù)。模態(tài)分析主要計算出箱體主框架自身的頻率及相應(yīng)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(chǎn)生共振。模態(tài)分析為譜分析做準(zhǔn)備。

根據(jù)理論力學(xué)，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(shù)，參見《海船法定檢驗技術(shù)規(guī)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(wěn)性高度。

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

表2 海浪不同頻率對應(yīng)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(jié)果

圖7 變形結(jié)果

圖6為整體形變量，圖7為定向形變量。在靜力分析、模態(tài)分析基礎(chǔ)上，進(jìn)行譜分析，計算結(jié)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(jié)論

基于某工程實際使用的設(shè)計模型，建立有限元模型，分析結(jié)果表明強度滿足使用需要。目前，此結(jié)構(gòu)形式已經(jīng)運達(dá)工程現(xiàn)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(jìn)的耦合分析思路。結(jié)合實際工程需要，主要針對強度進(jìn)行分析驗證，提供了一個結(jié)構(gòu)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(tǒng)散熱及抗震性研究［J］.儲能科學(xué)與技術(shù)，2013，2（06）：642-648．

［5］房凱，孫威，徐少華，等.箱式一體化儲能系統(tǒng)研究概述［J］.電器與能效管理技術(shù)，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(shè)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(tǒng)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(yè)清（1984—），男，河南商丘人，工程師，碩士，研究方向為儲能系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計及仿真分析。

〔編輯：張思楠〕