储能系统数字孪生

储能系统数字孪生技术

1 储能系统数字孪生概述

能量储存系统的基本任务是克服在能量供应和需求之间的时间性或者局部性的差异。主要包括热能、动能、电能、电磁能、化学能等能量的存储。

6SigmaDCX数字孪生平台可以实现多样的储能方式，评估流动换热与冷却的关系，目前储能孪生包括电池集装箱，户外柜储能系统、飞轮储能等。

1.1       储能数字孪生分析场景

1.1.1电池集装箱储能数字孪生

电池集装箱储能系统的主要组件为包括：①集装箱体；②电池柜；③冷却系统。

分析集装箱中的电池进风温度是否均匀：电池设备具有主动送风系统。

可以验证多种冷却方案：

1）       集装箱：包括各种钣金件，侧板，底板，顶板，保温材料，支架、立柱等，体现因温差导致的柜体内外的传热特性。设置集装箱净高，长度，宽度；保温层包裹在集装箱四周和顶面，设置厚度，保温材料为防火岩棉

2）       电池柜：电池为主动送风模型，设置电池总发热量,布局多态电池架，电池风扇开启，设定风量；

3）       冷却系统：采用直膨式空调，落地式空调X台，设置单台风量，设置空调控制回风温度，吸顶式方案空调X台，设置单台风量；

电池柜与电池如下图所示：

          

最后一个方案电池进风温度分布如下，进口最大值与最小值的温差不满足要求，其它方案均满足要求。

1.1.2户外柜储能数字孪生

户外柜储能系统的主要组件为包括：①柜体；②电池模组；③冷却系统。

多样的储能分析工况：标准工况，严酷工况，客指工况，加热工况；每个工况都可以实现充电，放电，静置多个循环。各工况主要是电芯产热在充电，放电，静置条件下随时间的变化曲线。电芯产热示例如下：

1）柜体：包括各种钣金件，侧板，底板，顶板，保温材料，支架、立柱等，体现因温差导致的柜体内外的传热特性。

2）电池模组：电芯是电池模组的主要组件，通常用固体实体表示，定义材料，以及其它的隔热，钣金件等模型。

3）冷却系统：包括直膨式空调，冷冻水空调，间接空气换热等，这是6SigmaDCX的优势，实现空调的控制逻辑，体现空调冷量输出的响应过程，模拟更加准确。

空调控制器算法：PI（比例积分控制）

x(t) =目标设定值

s(t) = 传感器实测值

e(t) = 误差，从控制器设定点减去传感器值后，该误差信号在比例项和积分项中进行处理

y(t) = 输出信号

系数：比例系数Kp；积分系数Ki；控制器增益Kc

电芯温度模拟结果：两个循环的充电、静置、放电过程电芯温度变化曲线。

1.1.3飞轮储能数字孪生

飞轮储能系统的主要组件为包括：①机柜；②飞轮；③通风冷却系统。

分析的对象为机柜中的飞轮储能装置，改善机柜内的气流组织，降低飞轮转子的温度，环境温度为40℃时，转子温度不高于70℃。

现状方案：根据实测数据校正模型，分析当前机柜结构现状，得出机柜内的气流组织，飞轮表面的温度分布等结果；

改善方案：在校正模型的基础上改进模型，用风道分割主要发热元件，飞轮后侧加两台风机，使飞轮表面温度达到目标要求。

 

1）       机柜：导入stl建模，创建实体包围导入的框架结构作为机柜侧壁和顶壁，发热元件：飞轮、滤波器、真空泵等

2）       飞轮：飞轮内部转子简化为实体，还包括轴承，壳体等部件；

3）       通风系统：采用自然通风冷却，从底部的左右侧进风口进风，顶部排风机排风，排风机输入PQ曲线。

各方案外壳上的温度分布：优化方案较原方案壳体上的温度显著降低，转子温度降到70℃以下。