离网光伏储能一体机优化设计与分析

吴卫国，汪建晓*，陆守强，李冬梅

（1.佛山科学技术学院机电工程学院，广东佛山528225；2.广东顺德创新设计研究院，广东佛山528311）

能源是人类进步、社会发展的推进器，随着全球经济和工业的快速发展，化石燃料等非可再生能源消耗日益剧增。大量非可再生能源的使用，引出了一系列问题，例如全球气候变暖、温室效应的产生、海平面上升、大气污染以及化石燃料等非可再生能源的日益枯竭。

这一系列的问题，迫使人们大力开发、使用可再生的绿色无污染的新能源［1］。其中太阳能能源开发利用最为广泛，相应的太阳能设备也较为成熟。离网太阳能光伏储能发电系统［2-3］就是利用太阳能光伏板将太阳的辐射能量转换成电能，通过太阳能充放电控制器向负载供电和向蓄电池充电，在无阳光和夜晚中，蓄电池能够作为电源为负载供电。离网太阳能光伏发电储能系统一般应用于宽广的草原地带、偏远山区、孤立海岛或一些偏僻的无电地区，其主要工作在户外环境中。

离网光伏储能一体机是离网太阳能光伏发电储能系统的主要组成部分，其结构设计的合理性直接影响整个系统的安全性与使用寿命。本文首先利用ANSYS Workbench对离网光伏储能一体机进行静力学与模态分析［4-5］，找出整机结构的薄弱环节，针对结构的薄弱部环节进行优化设计。然后通过对整机结构的优化设计［6-8］，提高其结构的刚度、强度和振动特性。最后对优化后的整机模型进行静力学与模态分析，仿真结果表明，优化后的离网光伏储能一体机结构的强度、刚度以及振动特性得以较大的提高，满足产品设计的要求，为离网光伏储能一体机的优化设计提供一种方法和依据。

1 有限元仿真分析理论基础

根据牛顿第二定律可得动力学平衡方程通式，即

其中，M为质量矩阵，C为阻尼矩阵，K为刚度矩阵，x为位移矢量，F（t）为力矢量，为速度矢量，为加速度矢量。

在线性静力学分析中，由于时间因素不影响分析结果，因此将与时间相关的量都忽略，式（1）可简化为

模态分析是计算结构振动特性的数值技术，是最基本动力学分析，也是其他动力学分析的基础。通过模态分析可以确定产品结构的固有频率和振型，从而进行结构优化设计，使得在实际工作中能够有效地避免因共振因素造成结构的损坏。在一般的模态分析中，没有外界激励载荷并且忽略阻尼的作用，因此式（1）可简化为

当发生自由简谐振动时，运动方程可简化为

2 离网光伏储能一体机有限元分析

离网光伏储能一体机主要由机架结构、储能电池模块、变压器模块以及主控器模块等构成，其外观尺寸为590 mm×300 mm×600 mm。其中离网光伏储能一体机整机机架分成三层仓，最底层用于承载储能电池模块，中间层用于承载变压器模块，顶层用于放置逆变集成主控制器模块。每一层都设有相配合的方形钣金件作为支撑底板，其外围用钣金板件进行外观封装设计，通过螺栓和焊接将板材与机架框架结构紧固相连。其离网光伏储能一体机机结构如图1所示。

图1 离网光伏储能一体机结构

2.1 实体模型建立

由于部分零件外形较为复杂，为了便于进行有限元仿真，对离网光伏储能一体机机架进行模型简化处理，将简化忽略的部分零部件以力的形式加载在离网光伏储能一体机上，其简化的模型如图2所示，将简化后的三维立体模型保存为*.x_t文件格式。

2.2 网格划分与材料属性定义

将简化后的三维立体模型导入ANSYS Workbench平台中，进行材料属性定义操作与网格划分。

（1）材料属性定义。因为镀锌钢板与铝合金材料具有抗拉强度强、可靠性好、耐氧化、耐腐蚀等优点，所有离网储能一体机机架选用镀锌钢板和铝合金作为材料，其材料属性参数如表1所示。

表1 材料属性参数

（2）网格划分。使用网格划分工具对离网光伏储能一体机简化的模型进行网格划分操作和网格参数设置，设置网格尺寸单元为10 mm，平滑度为中等，参数设置完成后，进行网格划分求解，其网格划分后的结果如图3所示。该模型划分成134 110个单元，共279 939个节点。

图2 简化的离网光伏储能一体机

图3 网格划分后的模型

2.3 施加边界载荷

进行有限元力学仿真分析时，需根据离网光伏储能一体机实际工作受到载荷的作用，施加边界载荷。根据离网光伏储能一体机机架自重与安装在机架上的零部件造成的压力作用，对其底部4个固定底座进行固定位移约束。储能电池模组质量约为30 kg，逆变器模块质量约为0.5 kg，主控制器模块质量约为1 kg。以压力分量294、4.9、9.8 N的集中应力分别施加至各层支撑板上。

3 离网光伏储能一体机的静力学与模态分析

3.1 静力学分析

对离网光伏储能一体机有限元分析模型施加边界载荷后，进行静力学求解计算和结果后处理［9-10］。为了便于观察整机的内部变形情况，使用Slice Planes切开未发生变形的前面板部分，得到离网光伏储能一体机整体结构的等效应力云图与总形变位移云图，分别如图4、5所示。

图4 等效应力云图

由图4、5可知，离网光伏储能一体机的应力主要集中于底层仓支撑板以及侧板附近区域中，其最大的应力集中于底层仓支撑板与侧板处，最大值为35.125 MPa。整机结构中的两侧板以及各层仓的支撑板都存在大面积的变形，其中底层仓支撑板中间区域的变形值最大为1.433 8 mm，整机结构存在较大面积的变形量，需进一步进行整机优化设计，从而提高整机的刚度。

图5 总形变位移云图

3.2 模态分析

对离网光伏储能一体机进行模态分析，得到结构的固有频率和振型［11］。根据模态分析结果，判断离网光伏储能一体机的固有频率与变压器模块的振动频率是否一致或者在其范围内引起共振现象。

使用ANSYS Workbench仿真软件，对离网储能一体机进行模态分析，仿真求解计算后，提取其前6阶固有频率，前6阶的固有频率和振型变形情况，如表2所示，前6阶振型变化如图6所示。

表2 离网光伏储能一体机前6阶固有频率与振型

由表2可知，离网光伏储能一体机前6阶固有频率为31.008～58.038 Hz。由图6可知，第1阶振型整机侧板左右发生较大的振动，其顶板、底层仓支撑板上下发生轻微的振动（图6a）；第2阶振型整机侧板左右发生较大的振动（图6b）；第3、4阶振型相似，中间层以及上层仓支撑板上下振动（图6c、d）；整机侧板左右发生较大的振动以及顶板、底板、中间层支撑板上下振动（图6e）；整机侧板左右方向发生较大振动以及顶板、底板上下轻微振动（图6f）。离网光伏储能一体机的振源主要来源于变压器模块，其振动频率为50～60 Hz。由此可知，离网光伏储能一体机的前6阶固有频率与变压器模块的振动频率较为接近，容易引起共振现象，需对离网储能一体机结构进行优化设计，提高其固有频率属性，从而避免产生共振现象。

图6 离网光伏储能一体机的前6阶振型图

4 优化设计与分析

4.1 优化设计

本文主要从以下两个方面对离网光伏储能一体机的结构进行优化设计［12］。

（1）将离网光伏储能一体机设计成双层仓结构，使得整机结构高度缩减至460 mm，上层仓用于放置变压器模块与主控器模块，下层仓用于放置储能电池模块。通过该设计使得整机结构更加紧凑，最终优化设计整机尺寸为540 mm×300 mm×460 mm。

（2）由于离网光伏储能一体机整机振动较大，为了使得其整机结构更加牢固，在整机内部增加一个铝合金框架作为支撑架，其铝合金支撑架结构如图7所示。考虑储能电池模块质量较重，底层架加入两根铝合金方型材作为支撑加固作用，在上层仓支撑架与顶板支架上分别加入铝合金方型材进行加固，周边的钣金件通过螺栓、螺钉以及角码件与铝合金框架紧固连接在一起。

图7 铝合金支撑架结构

4.2 优化后静力学与模态分析

对优化后的离网光伏储能一体机进行静力学与模态仿真分析，经材料属性定义、网格划分、定义边界条件后，求解计算得到其优化后的整机静力学分析的结构等效应力云图、总形变位移云图分别如图8、9所示，整机模态分析的前六阶固有频率、振型分别如表3、图10所示。

图8 优化后等效应力云图

图9 优化后整机结构总形变位移云图

表3 优化后的离网光伏储能一体机前6阶固有频率

图10 优化后的离网光伏储能一体机前6阶固有频率

由静力学与模态分析结果可知，离网光伏储能一体机经优化设计后，发生在底层仓支撑板上的最大位移变形量由1.433 8 mm减少至0.209 6 mm，最大应力由35.125 MPa降低至12.013 MPa。相比优化前，优化后离网光伏储能一体机的最大位移变形量减少了85.4%，最大应力降低了65.8%，其前6阶固有频率提升至143.04～184.78 Hz之间，有效避开了振源变压器的振动频率50～60 Hz。表4结果表明，该设计大大提高了整机的刚度与强度。

表4 离网光伏储能一体机优化前后参数对比

5 小结

本文以离网光伏储能一体机为研究对象，利用ANSYS Workbench有限元软件对其整机结构进行静力学与模态分析，仿真分析发现，离网光伏储能一体机的振动较大且与变压器模块振动频率接近，易引起共振现象。以提高离网光伏储能一体机的强度、刚度以及固有频率为优化设计目标，对整机模型进行优化设计，并对优化设计后的整机模型进行静力学和模态分析仿真验证。仿真结果表明，优化设计后的整机模型强度、刚度和整机固有频率得以大幅度的提高，从而有效地使得离网光伏储能一体机与变压器模块避免发生共振现象，为离网光伏储能一体机的优化设计提供了一种方法和依据。