多能互補型微網電站在內河航運場站的應用探索

盧勝利，劉仲良

（山東水運發展集團有限公司濟寧分公司，山東 濟寧 272113）

經過多年發展，我國已經成為世界上最具影響力的水運大國，在內河貨運量方面，我國更是連續多年位居世界第一位。我國內河通航里程超過13 萬公里，居世界第一，水上交通運輸科技創新也達到世界先進水平。在港口、水上服務樞紐等區域建設多能互補的微電網，將有力助推水運事業的綠色低碳可持續高質量發展。與傳統電力相比，微電網的建設實現了分布式能源、柴油發電機組、儲能設備、用電負荷的綜合管理，成為集發電、配電、經濟調控于一體的電力交換系統。水運樞紐微電網的建設，在提高供電質量、減少電網建設成本、解決偏遠地區供電困難、保護生態環境、提高水運服務質量等方面效益顯著。

1 多能互補微電網簡介

水域樞紐微電網既可作為一個獨立系統運行，為水上樞紐提供辦公生活用電；也可作為一個可控單元并網運行，將多個分布式電源并網問題轉化為一個可控微電網并網，削弱了單個分布式能源的波動性、間歇性給電網的安全運行造成的不利影響。多能互補微電網系統運行控制方式復雜，要求具有良好的控制邏輯，以保持微電網運行的穩定性。

離網型水上樞紐微電網將風電、光伏、柴油發電機（柴發）、儲能進行組網，適用于無電網接入的較為偏遠的場所；并網型水上樞紐微電網通過交流400V 或10KV 接入電網并網運行，可用于保證離網后重要負荷的不間斷運行，為水運提供更好的、持續性的服務。

2 應用案例分析

本文以山東水運發展集團有限公司濟寧分公司微山船閘上游遠調站多能互補離網電站為例，對離網型微網電站進行分析。

2.1 項目介紹

山東水運發展集團有限公司濟寧分公司微山船閘是連接上、下級湖的重要交通樞紐，年服務過閘船舶7萬余艘，通過量8000 多萬噸。微山船閘遠調站位于湖區，有開闊的水面作為船舶待閘停泊區，是船閘安全運行的第一道防線，因距離閘口相對較遠，地理位置比較特殊，一直未能接入市電。辦公、生活用電主要來源為原建設于水泥躉船上的一套離網光伏發電系統，另有一臺柴油發電機組作為備用電源供電，離網光伏電站老化且無儲能配置，發電量遠遠不能滿足日常辦公生活使用，柴油發電機組運行燃油、維護成本均較高，且給生態環境造成一定的影響，一旦出現問題，將給船閘的正常運行調度造成影響。

為解決遠調站用電難題，降低運行費用，同時響應國家綠色低碳交通可持續發展要求，在微山船閘上游遠調站建設多能互補+儲能的離網電站，具有較高的經濟效益和社會效益。微山船閘上游遠調站微網電站由光伏發電系統、風力發電系統、柴油機發電系統、儲能系統、能源管理系統、用電負荷組成。能源管理系統通過研發設計的控制策略對微電網進行智能控制，在日間使用光伏、風力發電系統供電及對儲能系統進行補充，夜間由風力發電系統及儲能系統供電，在長期陰雨天氣及風力、光伏系統檢修時，以柴油發電機組作為備用電源供電。

2.2 系統設計

2.2.1 運行策略

（1）風、光發電優先供負載，多余給電池充電，電池滿電狀態的話直接限發。

（2）風、光給負載供電不足時，電池補充，電池再有不足，柴發補充。

圖1 系統方案拓撲結構

2.2.2 系統配置

本項目系統配置72KW 光伏發電系統，10KW 風力發電，235.52KW 鋰電儲能系統，50KW 柴油發電機組，方案主要配置見下表：

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2.3 系統方案

2.3.1 光伏發電系統

本光伏發電系統選用550Wp 單晶硅電池組件，合計裝機容量為72kWp。安裝位置為靠泊鋼制躉船上，構成部件由太陽能電池板（組件）、光儲一體機、支架等組成。

圖2 光伏發電系統安裝圖

2.3.2 風電系統

風機塔機主要參數：

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圖3 風機安裝實物圖

2.3.3 儲能系統

（1）系統特點：①雙向變流；②具有多種保護措施，保證系統能夠正常穩定運行；③配有監控系統，實行全數字化控制，可以查看儲能變流器運行狀態信息，且具有診斷、復位功能，可實現無人值守，全自動化運行。

（2）儲能系統方案。儲能系統內設備包括1 套253.52kWh 鋰電池儲能系統（含2 架電池、BMS 系統）、2 臺30kW 儲能雙向變流器、1 套能量管理系統（EMS）和相關輔助系統組成。

2.3.4 電池管理系統（BMS）設計

（1）BMS 主要包括電池狀態監控、運行控制、事件記錄存儲功能、絕緣監測、動態均衡管理、保護報警、通訊等功能，保證系統正常、穩定、可靠的運行。本項目所用BMS 采用三層架構進行設計，分別是電池采集均衡單元（BMU）、電池簇管理單元（BCMS）、電池陣列管理單元（BAMS）。系統基本構架如下圖：（2）控制保護策略BMS 電池安全保護方案含有三級軟件保護功能、自診斷功能、軟件失效情況下的熔斷器配置和斷路器配置等，全方位保障系統的安全穩定運行。

圖4 BMS 系統基本構架

2.3.5 能量管理系統（EMS）

2.3.5.1 系統功能簡介

EMS（能量管理系統）是整個系統的大腦，能夠實時監控整個系統的運行狀態，保存運行數據，并能上傳故障信息。它為系統調度控制中心提供數據管理、監視、控制和優化，保障系統的穩定高效運行。

系統由獨立的戶外模塊機組成，模塊支持多機并聯，模塊內部由能量控制器完成各個模塊之間的數據采集與控制。儲能控制器通過4G 模塊上傳到云端，云端提供管理平臺及APP。

2.3.5.2 組網架構

微網儲能系統中，EMS 通訊拓撲分為兩層結構，頂層為總集中監控系統，底層設備：1 臺儲能雙向變流器、1 臺風能變流器、1 臺光伏逆變器、電池管理系統（BMS）、柴油發電機、各級智能電表等均接入站級監控系統。

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2.3.6 柴油發電機組

遠調站用電負荷最大約在30KW，考慮未來用電增長需求，系統配置50KW 柴油發電機組，根據用能特性柴油發電機組與風光儲發電系統進行自動切換。

3 效益分析

風光柴儲一體式離網電站在微山船閘上游遠調站的建成，減少了發電機運行保養產生的廢棄機油、濾芯等危險廢棄物，每年可減少柴油消耗量約50 噸，每年減排工業廢氣約60 萬立方，二氧化碳約150 噸，具有良好的節能環保效益；每年可以節約用電費用20 多萬元，具有良好的經濟效益；在遠調站靠泊躉船建設岸電裝置，可以為過往船員提供用電服務，具有良好的社會效益。

4 結束語

通過上述多能互補離網微網電站的案列分析可得知：多能互補微網電站在內河航運場站中應用是切實可行的。通過多種保護措施，優化設計控制策略，保證系統能夠正常穩定運行，配有運行監控系統，實行全數字化控制，可實現無人值守，全自動化運行。多能互補微網電站的應用可最大程度的利用可再生資源，助力國家綠色低碳交通可持續發展，同時，為內河航運偏遠場所提供了一種可靠的供電解決方案，以綠色電力助推水運事業高質量發展。