CN111934059B - 一种向集群电化学储能装置供冷的方法 - Google Patents

一种向集群电化学储能装置供冷的方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种向集群电化学储能装置供冷的方法，为含有汇总母线的任意管路拓扑结构和集群布置的电化学储能装置提供负载均衡的冷却方法，实现供冷装置的集群控制和互为备用。具体步骤如下：首先在汇总母线装设缓冲罐，并在缓冲罐上装设压力开关；接着在各供冷装置上设置联通管路、逆止阀和供冷电动阀，在各电化学储能装置进口侧设置开度调节阀；然后通过压力开关监视缓冲罐压力，当压力降低时，根据优先权控制逻辑开启供冷电动阀；通过温感监视电化学储能装置，当温度升高时，根据温度开启开度调节阀动作喷射冷却介质冷却，直至电化学储能装置降温至阈值以下。本发明实现了供冷装置的集群控制和互为备用。

Description

一种向集群电化学储能装置供冷的方法
技术领域
本发明涉及电气设备技术领域，具体涉及一种向集群电化学储能装置供冷的方法。
背景技术
电化学储能装置在充放电工作过程中往往伴随着热量的产生，需要为其配置供冷装置向其供冷降温。
锂离子电池在充放电的运行过程中，由于内部电化学反应存在和环境温度升高的影响，会提升电池的内腔温度而使反应加剧；而在高寒地区，由于环境低温的影响，也会降低电池内的反应速度。前者可能导致热失控而使电池提早失效并产生安全问题，后者也会降低电池的充放电能力和效率。温度对锂离子电池的容量、功率和安全性等性能都有很大的影响。与动力电池***相比，储能***聚集的电池数目更多，电池容量和功率也更大。大量的电池紧密排列在一个空间内，容易造成产热不均匀、温度分布不均匀、电池间温差较大等问题。长此以往，必然会导致部分电池的充放电性能、容量和寿命等下降，从而影响整个***的性能，严重时会引发热失控，造成事故。
因此，保障电化学储能装置的供冷至关重要，影响到电化学储能装置的效率和寿命甚至安全。而以往的文献多侧重于对集装箱内的电化学储能装置的热管理***进行讨论研究，强调在该单位***内的热管理***。钟国彬,王羽平,王超等在《大容量锂离子电池储能***的热管理技术现状分析》(储能科学与技术,2018)中综述了空冷、液冷、热管冷却、相变冷却这4种典型热管理技术的研究概况。张子峰,王林,陈东红等在《集装箱储能***散热及抗震性研究》(储能科学与技术,2013,2(6):642-648.)中阐述了集装箱式储能***的散热***设计，即电池***主要由空调散热。散热***由空调、导风管和风墙构成，其中空调提供冷风，导风管将冷风导入风墙，风墙内部通过风口调节将冷风送至每包电池，达到平衡温场的目的。张洋,吕中宾，姚浩伟等在《集装箱式锂离子电池储能***消防***设计》(消防科学与技术,2020,39(2):143-145.)中搭建了集装箱式锂离子电池储能***的热管理***，并进行了仿真分析。
过去电化学储能装置的供冷装置往往为气体冷却装置且独立配置。供冷装置内所存的冷却气体容量有限。若出现供冷装置拒动，或供冷设备有限的冷却气体不能控制电化学储能装置的温度，则将引发火情。目前电化学储能装置仅采用设置超大裕量的方法防范以上风险。然而这种配置方法对于集群电化学储能装置既不经济，也存在缺少备用的问题。
发明内容
为了解决现有技术中存在的不足，本发明提供一种向集群电化学储能装置供冷的方法，在多个单元(多个集装箱电化学储能装置***)基础上，实现供冷装置的兼容互济功能。首先将分散的各供冷装置和集群电化学储能装置通过汇总母线连接成网络。接着在汇总母线装设缓冲罐和压力开关实现汇总母线供冷回路上的压力自动保持；在各供冷装置上设置联通管路、逆止阀和供冷电动阀实现供冷装置向汇总母线供冷回路的自动补冷；在各电化学储能装置进口侧设置开度调节阀，实现汇总母线向各电化学储能装置的自动供冷。然后分别给出了标准的自动模式和手动模式的优先权控制逻辑，以及根据温度上升趋势采用反时限调节机制的开度调节机制。最后实现了供冷装置的集群控制和互为备用的目标。
一种向集群电化学储能装置供冷的方法，包括以下步骤：
S1、将各供冷装置和集群电化学储能装置通过汇总母线连接成网络；
S2、在汇总母线装设缓冲罐H，并在缓冲罐上装设压力开关Y；
S3、在各供冷装置G上设置联通管路L、逆止阀X和供冷电动阀F，在各电化学储能装置进口侧设置开度调节阀T；
S4、通过压力开关Y监视缓冲罐压力，当压力降低时，根据优先权控制逻辑开启供冷电动阀F；
S5、通过温感监视电化学储能装置，监视温度变化，根据温度上升趋势开启开度调节阀动作喷射冷却介质冷却，直至电化学储能装置降温至阈值以下；
S6、当监视得到电化学储能装置的温度升高至消防报警值时，关闭开度调节阀T，开启消防气体喷射装置直至电化学储能装置降温至阈值以下。
上述方法中，所述缓冲罐的容积为3m3，所述缓冲罐上装设的压力开关Y的个数为n+1，其中n为供冷装置G的个数，各压力开关的作用如下：压力开关Yi控制优先级第i台供冷装置Gi启停，气压过高时压力开关Yn+1控制各供冷装置G全停。
上述方法中，所述供冷装置G为罐装压缩供冷介质或制冷机，推荐采用罐装压缩供冷介质；所述供冷电动阀F只有开启和关闭两种状态；所述开度调节阀T可以调节开度由0％至100％。
上述方法中，所述优先权控制逻辑，即根据优先权排序控制供冷装置G启停，优先权排序在前的供冷装置先开后停，优先权排序在后的供冷装置先停后开，优先权控制逻辑有自动模式和手动模式两种模式：
所述手动模式即由运维人员根据运维需要强制供冷装置的优先级；
所述自动模式即自动计算供冷装置的供冷时间和供冷次数，并根据供冷装置的状态进行优先级切换，具体由以下步骤获得：
S41、根据上一统计周期各供冷装置供冷电动阀F的开启和关闭信号的时间差值计算获得各供冷装置的累计开启时间FT；
S42、根据上一统计周期各供冷装置供冷电动阀F的开启信号的条数获得各供冷装置的累计开启次数FC；
S43、通过FT×FC计算获得上一统计周期各供冷装置的运行指标FK；
S44、对上一统计周期各供冷装置的运行指标FK进行升序排序，获得当前统计周期供冷装置的优先级，运行指标FK越大的优先级别越靠后；
S45、供冷装置根据优先级启动，当优先级在前的供冷装置当前供冷时间超过供冷时间阈值时，或压力开关监视缓冲罐压力下降到下一级供冷装置启动阈值时，或优先级在前的供冷装置故障时，启动下一优先级的供冷装置；
S46、当压力开关监视缓冲罐压力上升至第一优先级供冷装置停止整定值时，停下各供冷装置。
上述方法中，所述统计周期为月；所述供冷时间阈值为10分钟；所述供冷装置的冷却介质为氮气。
上述方法中，S5中所述根据温度上升趋势开启开度调节阀为采用反时限的调节机制，即温度上升斜率越大或温度越大，开度调节阀的开度越大，温度上升斜率越小或温度越小，开度调节阀的开度越小。
上述方法中，所述开度调节阀的最小温度变化动作设定值为3℃。
上述方法中，根据优先权控制逻辑开启供冷电动阀F的控制功能部署在汇总母线的控制***中，根据温度上升趋势开启开度调节阀动作喷射冷却介质冷却的控制功能部署在电化学储能装置的控制***中。
与现有技术相比，本发明填补了工程界的空白，具有以下优点和技术效果：
(1)本发明将分散的各供冷装置和集群电化学储能装置通过汇总母线连接成网络，实现了供冷装置的集群控制和互为备用，为含有汇总母线的任意管路拓扑结构和集群布置的电化学储能装置提供负载均衡的冷却方法，为保障电化学储能装置安全生产，可靠冷却提供了重要技术支持。此外，分散布置的电化学储能装置无需预留较大裕量的气瓶，各分散布置的供冷装置通过本申请实现了备用互济和协同冷却，进而降低了电化学储能装置供冷装置的造价成本。
(2)本发明在汇总母线装设缓冲罐和压力开关实现汇总母线供冷回路上压力的自动保持；在各供冷装置上设置联通管路、逆止阀和供冷电动阀实现供冷装置向汇总母线回路供冷的自动补冷；在各电化学储能装置进口侧设置开度调节阀，实现汇总母线向各电化学储能装置的自动供冷。
(3)本发明给出了标准的自动模式和手动模式的优先权控制逻辑，以及根据温度上升趋势采用反时限调节机制的开度调节机制，以及分布式控制机制，使得汇总母线从供冷装置受冷和向电化学储能装置送冷可以通过自动自适应的负载均衡方法实现。
附图说明
图1为本实施例中一种向集群电化学储能装置供冷的方法的流程图。
图2为本实施例中的管路拓扑结构图。
具体实施方式
以下结合附图和实例对本发明的具体实施作进一步说明，但本发明的实施和保护不限于此。需指出的是，以下若有未特别详细说明之过程，均是本领域技术人员可参照现有技术实现或理解的。
以下对某电池储能站为例进行说明。
结合图1流程，一种向集群电化学储能装置供冷的方法包括以下步骤：
S1、将各供冷装置和集群电化学储能装置通过汇总母线连接成网络。供冷装置可以为罐装压缩供冷介质，可以为制冷机，推荐采用罐装压缩供冷介质。本实施例中供冷装置的冷却介质为氮气。
S2、在汇总母线装设缓冲罐H，并在缓冲罐上装设压力开关Y。缓冲罐的容积为3m3，缓冲罐上装设的压力开关Y的个数为n+1，其中n为供冷装置G的个数，各压力开关的作用如下：压力开关Yi控制优先级第i台供冷装置Gi启停，气压过高时压力开关Yn+1控制各供冷装置G全停。本实施例中供冷装置G的个数为4，压力开关Y的个数为5.
S3、在各供冷装置G上设置联通管路L、逆止阀X和供冷电动阀F，在各电化学储能装置进口侧设置开度调节阀T。本实施例中，供冷电动阀F只有开启和关闭两种状态，开度调节阀T可以调节开度由0％至100％。
形成如图2所示的拓扑结构图，图中虚线部分为在集群电化学储能装置的供冷装置G＝[G1，G2，G3，G4]基础上设置的缓冲罐H，压力开关Y＝[Y1，Y2，Y3，Y4，Y5]，联通管路L、逆止阀X＝[X1，X2，X3，X4]、供冷电动阀F＝[F1，F2，F3，F4]和开度调节阀T＝[T1，T2，T3，T4]。
S4、通过压力开关Y监视缓冲罐压力，当压力降低时，根据优先权控制逻辑开启供冷电动阀F，优先权控制逻辑即根据优先权排序控制供冷装置G启停，优先权排序在前的供冷装置先开后停，优先权排序在后的供冷装置先停后开，优先权控制逻辑有自动模式和手动模式两种模式：所述手动模式即由运维人员根据运维需要强制供冷装置的优先级；所述自动模式即自动计算供冷装置的供冷时间和供冷次数，并根据供冷装置的状态进行优先级切换。
本实施例中选择自动模式，即：
S41、根据上一个月各供冷装置供冷电动阀F的开启和关闭信号的时间差值计算获得各供冷装置的累计开启时间FT；
Figure BDA0002509990960000051
S42、根据上一统计周期各供冷装置供冷电动阀F的开启信号的条数获得各供冷装置的累计开启次数FC；
Figure BDA0002509990960000052
S43、通过FT×FC计算获得上一统计周期各供冷装置的运行指标FK；
Figure BDA0002509990960000053
S44、对上一统计周期各供冷装置的运行指标FK进行升序排序，获得当前统计周期供冷装置的优先级为3->1->2->4；
S45、供冷装置根据优先级启动，当优先级在前的供冷装置当前供冷时间超过供冷时间10min时，或压力开关监视缓冲罐压力下降到下一级供冷装置启动阈值时，或优先级在前的供冷装置故障时，启动下一优先级的供冷装置；
S46、当压力开关监视缓冲罐压力上升至第一优先级供冷装置停止整定值时，停下各供冷装置。
S5、通过温感监视电化学储能装置，监视温度变化，根据温度上升趋势开启开度调节阀动作喷射冷却介质冷却，直至电化学储能装置降温至阈值以下。
根据温度上升趋势开启开度调节阀动作喷射冷却介质冷却的控制功能部署在电化学储能装置的控制***中。
上述根据温度上升趋势开启开度调节阀为采用反时限的调节机制，即温度上升斜率越大或温度越大，开度调节阀的开度越大，温度上升斜率越小或温度越小，开度调节阀的开度越小。本实施例中开度调节阀的最小温度变化动作设定值为3℃。
S6、当监视得到电化学储能装置升高至消防报警值时，关闭开度调节阀T，开启消防气体喷射装置直至电化学储能装置降温至阈值以下。
结论：
可见，本实施例提供的一种向集群电化学储能装置供冷的方法，用自动检测和控制的方式，为含有汇总母线的任意管路拓扑结构和集群布置的电化学储能装置提供负载均衡的冷却方法。在汇总母线装设缓冲罐和压力开关实现汇总母线供冷回路上压力的自动保持；在各供冷装置上设置联通管路、逆止阀和供冷电动阀实现供冷装置向汇总母线回路供冷的自动补冷；在各电化学储能装置进口侧设置开度调节阀，实现汇总母线向各电化学储能装置的自动供冷。给出了标准的自动模式和手动模式的优先权控制逻辑，以及根据温度上升趋势采用反时限调节机制的开度调节机制，使得汇总母线从供冷装置受冷和向电化学储能装置送冷可以通过自动自适应的负载均衡方法实现。各分散布置的供冷装置通过本专利实现了备用互济和协同冷却，进而降低了电化学储能装置供冷装置的造价成本。

Claims (7)

1.一种向集群电化学储能装置供冷的方法，其特征在于，包括：
S1、将各供冷装置和集群电化学储能装置通过汇总母线连接成网络；
S2、在汇总母线装设缓冲罐H，并在缓冲罐上装设压力开关Y；
S3、在各供冷装置G上设置联通管路L、逆止阀X和供冷电动阀F，在各电化学储能装置进口侧设置开度调节阀T；
S4、通过压力开关Y监视缓冲罐压力，当压力降低时，根据优先权控制逻辑开启供冷电动阀F；所述优先权控制逻辑，即根据优先权排序控制供冷装置G启停，优先权排序在前的供冷装置先开后停，优先权排序在后的供冷装置先停后开，优先权控制逻辑有自动模式和手动模式两种模式：
所述手动模式即由运维人员根据运维需要强制供冷装置的优先级；
所述自动模式即自动计算供冷装置的供冷时间和供冷次数，并根据供冷装置的状态进行优先级切换，具体由以下步骤获得：
S41、根据上一统计周期各供冷装置供冷电动阀F的开启和关闭信号的时间差值计算获得各供冷装置的累计开启时间FT；
S42、根据上一统计周期各供冷装置供冷电动阀F的开启信号的条数获得各供冷装置的累计开启次数FC；
S43、通过FT×FC计算获得上一统计周期各供冷装置的运行指标FK；
S44、对上一统计周期各供冷装置的运行指标FK进行升序排序，获得当前统计周期供冷装置的优先级；
S45、供冷装置根据优先级启动，当优先级在前的供冷装置当前供冷时间超过供冷时间阈值时，或压力开关监视缓冲罐压力下降到下一级供冷装置启动阈值时，或优先级在前的供冷装置故障时，启动下一优先级的供冷装置；
S46、当压力开关监视缓冲罐压力上升至第一优先级供冷装置停止整定值时，停下各供冷装置；
S5、通过温感监视电化学储能装置的温度变化，根据温度上升趋势开启开度调节阀动作喷射冷却介质冷却，直至电化学储能装置降温至阈值以下；
S6、当监视到电化学储能装置的温度升高至消防报警值时，关闭开度调节阀T，开启消防气体喷射装置直至电化学储能装置降温至阈值以下。
2.根据权利要求1所述的一种向集群电化学储能装置供冷的方法，其特征在于：S2中所述缓冲罐的容积为3m3，所述缓冲罐上装设的压力开关Y的个数为n+1，其中n为供冷装置G的个数，各压力开关的作用如下：压力开关Y i 控制优先级第i台供冷装置G i 启停，气压过高时压力开关Y n+1控制各供冷装置G全停。
3.根据权利要求1所述的一种向集群电化学储能装置供冷的方法，其特征在于：所述供冷装置G为罐装压缩供冷介质或制冷机；所述供冷电动阀F只有开启和关闭两种状态；所述开度调节阀T可以调节开度由0%至100%。
4.根据权利要求1所述的一种向集群电化学储能装置供冷的方法，其特征在于：所述统计周期为月；所述供冷时间阈值为10分钟；所述供冷装置的冷却介质为氮气。
5.根据权利要求1所述的一种向集群电化学储能装置供冷的方法，其特征在于：S5中所述根据温度上升趋势开启开度调节阀为采用反时限的调节机制，即温度上升斜率越大或温度越大，开度调节阀的开度越大，温度上升斜率越小或温度越小，开度调节阀的开度越小。
6.根据权利要求5所述的一种向集群电化学储能装置供冷的方法，其特征在于：所述开度调节阀的最小温度变化动作设定值为3℃。
7.根据权利要求1所述的一种向集群电化学储能装置供冷的方法，其特征在于：根据优先权控制逻辑开启供冷电动阀F的控制功能部署在汇总母线的控制***中，根据温度上升趋势开启开度调节阀动作喷射冷却介质冷却的控制功能部署在电化学储能装置的控制***中。
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