光伏節(jié)能系統(tǒng)在岸邊集裝箱起重機(jī)中的應(yīng)用

宋祥吉 顧強(qiáng) 王金東 劉雪峰 丁云鵬

1 青島海西重機(jī)有限責(zé)任公司 青島 266530 2 濟(jì)寧港航龍拱港有限公司 濟(jì)寧 272000

0 引言

為了推動節(jié)能技術(shù)進(jìn)步，提高能源利用效率，促進(jìn)節(jié)約能源和優(yōu)化用能結(jié)構(gòu)，建設(shè)資源節(jié)約型、環(huán)境友好型社會，國家發(fā)展和改革委員會、科學(xué)技術(shù)部于2006年12 月發(fā)布了新的《中國節(jié)能技術(shù)政策大綱》中提出，在太陽能技術(shù)方面，研發(fā)太陽能光伏硅材料的生產(chǎn)技術(shù)，發(fā)展光伏發(fā)電技術(shù)[1]，發(fā)展太陽能熱利用技術(shù)；在節(jié)能新材料方面，研發(fā)新型高效能量轉(zhuǎn)換與貯能裝置及材料，推進(jìn)燃料電池、太陽電池組件、金屬空氣電池，超級電容器及相關(guān)材料的應(yīng)用和發(fā)展。

隨著全球煤炭、石油等化石能源消耗對環(huán)境產(chǎn)生的污染減少，加快能源結(jié)構(gòu)調(diào)整，世界各國加快了對清潔新能源的開發(fā)利用。太陽能作為具有清潔無害、分布廣泛等特點(diǎn)的新能源，越來越受到人們的青睞。太陽能光伏+儲能等多元化能源已成為當(dāng)今分布式新能源發(fā)電的熱點(diǎn)，光伏技術(shù)的應(yīng)用在各行業(yè)中得到了蓬勃發(fā)展。

然而，由于港口機(jī)械是能耗設(shè)備且專業(yè)性較強(qiáng)，大范圍應(yīng)用難度較大，目前光伏技術(shù)在港口機(jī)械行業(yè)的應(yīng)用較少。本文針對岸邊集裝箱起重機(jī)（以下簡稱岸橋）的工作特點(diǎn)，采用光伏/光儲發(fā)電系統(tǒng)現(xiàn)有成熟技術(shù)，將光伏節(jié)能系統(tǒng)應(yīng)用于港口集裝箱設(shè)備上，該應(yīng)用是港口新能源應(yīng)用的一個重要探索，同樣也是中國式現(xiàn)代化、零碳碼頭的必經(jīng)之路。

1 系統(tǒng)方案設(shè)計

1.1 系統(tǒng)架構(gòu)

光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)主要由光伏組件、光伏控制器、蓄電池組、光伏并網(wǎng)逆變器、電氣房配電箱、交換機(jī)、能源監(jiān)控平臺等組成。光伏節(jié)能系統(tǒng)架構(gòu)如圖1 所示。

圖1 光伏節(jié)能系統(tǒng)架構(gòu)圖

1.2 系統(tǒng)方案總體設(shè)計

1.2.1 設(shè)計原則

在岸橋設(shè)備原有電控方案基礎(chǔ)上，新增加光伏節(jié)能系統(tǒng)不影響其他使用，故采用自發(fā)自用的模式能較好地適應(yīng)集裝箱設(shè)備使用環(huán)境。

1.2.2 系統(tǒng)方案說明

系統(tǒng)通過光伏組件獲取太陽能，經(jīng)光伏控制器連接蓄電池組和并網(wǎng)逆變器，控制器的作用是控制系統(tǒng)的工作狀態(tài)并對蓄電池起到過充電保護(hù)、過放電保護(hù)的作用，在溫差較大的地方，控制器還需具備溫度補(bǔ)償功能以保證系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行。并網(wǎng)光伏逆變器可將直流電轉(zhuǎn)換為交流，與電氣房內(nèi)配電箱連接，通過三相并網(wǎng)逆變器采用工頻隔離變壓器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，可實(shí)現(xiàn)與設(shè)備并網(wǎng)完成對岸橋輔助系統(tǒng)的供電，其結(jié)構(gòu)簡單、可靠性高、抗沖擊性能好、安全性能良好，直流側(cè)最大功率點(diǎn)跟蹤（Maximum Power Point Tracking，MPPT）電壓等級可控制在200 ～1 000 V。該系統(tǒng)還配置電池管理系統(tǒng)（Battery Management System，BMS），可實(shí)現(xiàn)對光伏發(fā)電系統(tǒng)、儲能系統(tǒng)、配電回路、饋線等相關(guān)供電設(shè)備運(yùn)行情況進(jìn)行電氣量、狀態(tài)量的實(shí)時監(jiān)控，完成測量數(shù)據(jù)歸檔及統(tǒng)計報表功能，及時掌握電網(wǎng)系統(tǒng)的各種事故和警報事件。另外，該系統(tǒng)在遠(yuǎn)程中控還配置了能源監(jiān)控平臺，通過光纖交換機(jī)（安裝于電氣房配電箱內(nèi)）、核心交換機(jī)（安裝于遠(yuǎn)控網(wǎng)絡(luò)機(jī)柜內(nèi)）連接組網(wǎng)，完成詳細(xì)監(jiān)測數(shù)據(jù)的上傳，實(shí)現(xiàn)集裝箱設(shè)備及碼頭所有設(shè)備的光伏節(jié)能系統(tǒng)綜合信息監(jiān)控。

1.2.3 系統(tǒng)方案設(shè)計步驟

1）岸橋增設(shè)光伏組件 根據(jù)岸橋機(jī)器房頂?shù)拿娣e，計算可得每臺岸橋可增設(shè)安裝63 塊光伏組件，其光伏組件尺寸為2 256 mm×1 133 mm×35 mm（長×寬×高），單塊光伏組件容量530 ～550 Wp，總?cè)萘?3×550 ＝34 650 Wp。

2）光伏逆變器配置 岸橋機(jī)器房頂63 塊光伏組件，同一傾角的21 塊組件接入30 kW 三相逆變器，三相逆變器通過計量箱，計量箱回路380 V 接入岸橋輔助系統(tǒng)供電，就近消納供給岸橋輔助回路負(fù)荷使用。當(dāng)本地負(fù)載需求大于光伏發(fā)電功率時，由市電進(jìn)行補(bǔ)充。當(dāng)本地負(fù)載小于光伏發(fā)電功率時，輸出電能管理系統(tǒng)限制逆變器發(fā)電，確保光伏電能并網(wǎng)。

3）儲能電池裝置配置 岸橋電氣房室內(nèi)配置50 kWh 磷酸鐵鋰儲能電池空間，后期可削峰填谷，平滑新能源電能質(zhì)量，并作為市電斷電的應(yīng)急電源。

4）電能管理系統(tǒng)配置 在公共配電柜中增加與光伏逆變器配套的輸出電能管理系統(tǒng)，可以實(shí)時監(jiān)控和控制光伏系統(tǒng)向電網(wǎng)輸送的電能，可有效管理光伏系統(tǒng)能量輸出，提升系統(tǒng)效益。設(shè)備通過控制逆變器的輸出功率，限制電力進(jìn)入電網(wǎng)，保證電網(wǎng)安全，簡化電網(wǎng)手續(xù)。

5）遠(yuǎn)控平臺通訊及數(shù)據(jù)上傳 設(shè)備端采集重要信息數(shù)據(jù)，上傳至遠(yuǎn)控中心的大數(shù)據(jù)平臺，建設(shè)碼頭設(shè)備能源生產(chǎn)、傳輸?shù)冗^程中信息數(shù)據(jù)采集監(jiān)控系統(tǒng)。

1.3 系統(tǒng)硬件設(shè)計選型

1.3.1 太陽能電池板

首先是在技術(shù)成熟度高、運(yùn)行可靠的前提下，結(jié)合岸橋機(jī)器房的自然環(huán)境、施工條件、交通運(yùn)輸?shù)葼顩r，選用行業(yè)內(nèi)的主導(dǎo)太陽能電池組件類型。其次是光伏組件的價格是否具有競爭力，通過綜合比選確定綜合指標(biāo)最佳的太陽能電池組件。目前市面上常規(guī)各類型電池主要性能對比如表1 所示。

表1 光伏組件性能對比匯總

由表1 可知，化合物電池為小規(guī)模生產(chǎn)，無法供應(yīng)于大規(guī)模的項目。單晶硅、多晶硅太陽電池制造技術(shù)成熟、產(chǎn)品性能穩(wěn)定、使用壽命長、光電轉(zhuǎn)化效率相對較高。非晶硅薄膜太陽電池價格低廉，弱光效應(yīng)能力較強(qiáng)，在高溫時的輸出功率不會像晶硅電池一樣效率下降顯著。雖然非晶硅薄膜電池成本較低，但采用非晶硅薄膜電池將增大支架、線纜的投資。考慮到岸橋機(jī)器房頂面積有限，選用適用于港機(jī)設(shè)備高效半片單晶硅電池組件，單塊容量為530 ～550 Wp，組件串聯(lián)數(shù)應(yīng)滿足直流變換器MPPT 范圍[2]。

1.3.2 光伏逆變器

逆變器按輸入直流電源性質(zhì)分類，可分為電壓源型逆變器和電流源型逆變器。對于并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)中的逆變控制技術(shù)是有源逆變，其運(yùn)行條件需依賴強(qiáng)大的電網(wǎng)支撐。為了獲得更優(yōu)的控制性能，并網(wǎng)逆變器應(yīng)采用輸出電流源的方式并網(wǎng)[3]。并網(wǎng)逆變器是將直流電流變換為交流電流的裝置，是光伏發(fā)電的核心設(shè)備。并網(wǎng)逆變器的主要技術(shù)要求為：

1）逆變器能夠在較大的直流輸入電壓范圍內(nèi)正常工作，并保證交流輸出電壓穩(wěn)定。

2）逆變器輸出效率必須在95%以上。即使在逆變器額定功率10%的情況下，也要保證95%（大功率逆變器）以上的轉(zhuǎn)換效率。

3）逆變器的輸出電壓波形、幅值及相位等與公共電網(wǎng)一致，以實(shí)現(xiàn)向電網(wǎng)無擾動平滑供電。

4）逆變器的輸入終端電阻應(yīng)自適應(yīng)于光伏發(fā)電系統(tǒng)的實(shí)際運(yùn)行特性，保證光伏發(fā)電系統(tǒng)運(yùn)行在最大功率點(diǎn)[4]。

5）逆變器應(yīng)具有一定的抗干擾能力、環(huán)境適應(yīng)能力、瞬時過載能力及各種保護(hù)功能。

6）其額定電壓、電流、諧波因數(shù)、總諧波畸變率、畸變因數(shù)等應(yīng)該符合《國家電網(wǎng)公司光伏電站接入電網(wǎng)技術(shù)規(guī)定》的相關(guān)要求[5]。

參照并網(wǎng)逆變器的主要技術(shù)參數(shù)要求，岸橋設(shè)備上可選用國產(chǎn)一線品牌的組串式光伏逆變器，根據(jù)光伏設(shè)置總?cè)萘考鞍稑蚬补╇婋妷旱燃墸孀兤魅萘靠蛇x用30 kW，輸出380 V，確保安全可靠，輸出電能質(zhì)量穩(wěn)定，滿足多種并網(wǎng)入網(wǎng)安全標(biāo)準(zhǔn)。集成安全保護(hù)功能，戶內(nèi)防護(hù)等級為IP23，逆變器最大轉(zhuǎn)換效率為98.1%。

1.3.3 儲能電池

儲能電池選用安全系數(shù)高的小型儲電池放置于岸橋電氣房內(nèi)，基于磷酸鐵鋰電池48 V 的儲能系統(tǒng)，電池配置定制的電池管理系統(tǒng)BMS，針對小型光儲系統(tǒng)應(yīng)用。白天充光伏發(fā)電多余電量，在夜間高峰時期放電；夜間低谷時期充電，白天補(bǔ)充光伏發(fā)電。達(dá)到提高光伏發(fā)電使用效率、削峰填谷、應(yīng)急備電、賺取峰谷價差收益等作用。

所選儲能電池技術(shù)特點(diǎn)：10 a 超長使用壽命；支持大電流充放電：100 A（2C）充放電；模塊化設(shè)計，體積小、質(zhì)量輕；采用多級能耗管理；前操作，前接線，方便安裝、維護(hù)；高兼容性BMS，與儲能逆變器無縫對接；一鍵開關(guān)機(jī)，操作更便捷；適合長期充放電循環(huán)。

1.3.4 電能管理系統(tǒng)

儲能電池系統(tǒng)BMS 分3 級管理：電池管理單元（Battery Management Unit，BMU）、電池簇管理單元（Battery Cluster Management System，BCMS）和電池陣列管理系統(tǒng)（Battery Array Management System，BAMS）。BAMS 負(fù)責(zé)統(tǒng)一管理2 種儲能系統(tǒng)，其中n組電池子系統(tǒng)由n個BCMS 管理，每個BCMS 管理14個BMU，每個BMU 管理2 個電池箱。電能管理系統(tǒng)拓?fù)淙鐖D2 所示。

圖2 電能管理系統(tǒng)拓?fù)鋱D

BAMS 通過以太網(wǎng)將電池信息上傳給能量管理系統(tǒng)（Energy Management System，EMS），并接受其指令實(shí)現(xiàn)對電池的操作。BAMS 和BCMS 之間以及BCMS和BMU 之間均是通過CAN（Controller Area Network）通信，BMU 實(shí)現(xiàn)對電池信息的實(shí)時采集和運(yùn)算，均衡功能的控制執(zhí)行，并將信息上傳給BCMS 統(tǒng)一管理，由BAMS 實(shí)現(xiàn)實(shí)時顯示及對后臺的數(shù)據(jù)傳輸。

EMS 實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集與處理，實(shí)時數(shù)據(jù)庫，人機(jī)界面和報表及維護(hù)以及歷史數(shù)據(jù)庫管理。系統(tǒng)人機(jī)界面采用分布式全圖形化人機(jī)接口，提供統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)的圖形平臺，包括系統(tǒng)接線圖、各種統(tǒng)計量的棒形圖、餅形圖、曲線圖和表格均可在圖形系統(tǒng)中加以顯示。在運(yùn)行態(tài)下，圖形中的遙測、遙信量等動態(tài)點(diǎn)將根據(jù)數(shù)據(jù)庫的變化自動刷新，并通過顏色變化和狀態(tài)變化顯示不同的測點(diǎn)狀態(tài)和數(shù)值。調(diào)度員可以方便地選擇所需的操作，輸入相應(yīng)的參數(shù)和注釋、執(zhí)行或中斷所進(jìn)行的操作。圖形程序提供電度量顯示功能，支持日電量顯示。通過對工作站人機(jī)界面的監(jiān)視，可以了解電力系統(tǒng)、自動化系統(tǒng)以及整個后臺系統(tǒng)和通訊系統(tǒng)的運(yùn)行工況。運(yùn)行信息通過文字、狀態(tài)、聲光、顏色等多種方式體現(xiàn)到人機(jī)界面上。系統(tǒng)報表用于將歷史數(shù)據(jù)以靈活的方式組織到表格中，同時具有打印以及表格編輯功能，將歷史數(shù)據(jù)以表格的形式靈活的顯示并形成統(tǒng)計報表。

1.3.5 能源監(jiān)控平臺通訊及數(shù)據(jù)上傳

港口能源監(jiān)控平臺實(shí)時監(jiān)控光伏節(jié)能系統(tǒng)的狀態(tài)及相關(guān)信息，需與EMS 通訊方可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)上傳。由能源管理系統(tǒng)采集每臺岸橋光伏節(jié)能系統(tǒng)的信息數(shù)據(jù)，利用岸橋原有的局域網(wǎng)，通過網(wǎng)線/光纖上傳至港口監(jiān)控后臺，從而形成碼頭所有設(shè)備的光伏節(jié)能系統(tǒng)綜合信息監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)。

2 實(shí)施安裝設(shè)計及布置

2.1 光伏組件安裝導(dǎo)軌布置

岸橋機(jī)器房鋼結(jié)構(gòu)房頂采用焊接預(yù)埋件形式，通過高強(qiáng)度螺栓與光伏組件支架安裝孔連接。房頂采用彩鋼瓦形式，通過專用夾具與房頂固定，為減少震動影響，采用減震橡膠緩沖。機(jī)器房頂光伏組件安裝導(dǎo)軌布置圖如圖3 所示。

圖3 光伏組件安裝導(dǎo)軌布局圖

1）太陽能電池陣列組成 每臺岸橋共安裝63 塊550 Wp 單晶硅光伏組件串聯(lián)，共3 個回路。

2）太陽能電池傾角設(shè)計 太陽能電池采用固定式安裝，與屋頂坡度一致。

3）太陽能組串設(shè)計 每臺岸橋選用的組串式逆變器功率為30 kW，其最大方陣開路電壓為1 000 V，MPPT 電壓范圍為200 ～1 000 V，組件的串聯(lián)數(shù)可滿足直流變換器MPPT 范圍。

2.2 防雷接地布置

利用集裝箱機(jī)器房頂鋼結(jié)構(gòu)的避雷接地網(wǎng)，根據(jù)現(xiàn)場情況調(diào)整接地扁鋼的布置和走向，利用既有的引下線，每個支架均與避雷網(wǎng)帶有不少于2 處連接，接地點(diǎn)連接均采用螺栓連接，防雷接地布置如圖4 所示。機(jī)器房頂需保證系統(tǒng)的接地電阻≤4 Ω，如接地電阻值不符合要求，應(yīng)采取增加垂直接地體或水平接地體等降阻措施。另外，需保證光伏節(jié)能系統(tǒng)的電氣設(shè)備與接地網(wǎng)之間并聯(lián)接地，不可將設(shè)備間的地互聯(lián)后再接地網(wǎng)。

圖4 防雷接地布置圖

3 關(guān)鍵技術(shù)研究及應(yīng)用

3.1 峰谷調(diào)節(jié)

EMS 通過協(xié)調(diào)儲能變流器（Power Conversion System，PCS）、BMS 進(jìn)行充放電控制。儲能控制系統(tǒng)支持基于電價輸入（支持峰平谷電價及尖峰平谷電價）的自動儲能峰谷調(diào)節(jié)控制以及基于功率輸入的儲能峰谷調(diào)節(jié)。自動儲能峰谷調(diào)節(jié)能根據(jù)儲能系統(tǒng)可充放電量、當(dāng)日電費(fèi)及歷史負(fù)荷情況計算收益最大化目標(biāo)下的充放電計劃，并每4 h 動態(tài)更新；儲能峰谷調(diào)節(jié)可根據(jù)用戶輸入的分時功率設(shè)定值控制儲能系統(tǒng)出力。儲能控制系統(tǒng)的控制流程圖5 所示。

圖5 儲能控制系統(tǒng)流程圖

3.2 控制策略

3.2.1 PCS 保護(hù)策略

在光伏發(fā)電系統(tǒng)中，PCS 負(fù)責(zé)將光伏電池陣列產(chǎn)生的直流電轉(zhuǎn)換為交流電，并將多余的電能儲存在電池中或向電網(wǎng)供電。因此，為發(fā)揮PCS 的最大功效，合理的控制策略至關(guān)重要。

1）保證系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行 在光伏電池陣列功率波動較大的情況下，PCS 可及時調(diào)整電池充放電功率，保持系統(tǒng)電壓和頻率的穩(wěn)定，另外，PCS 還需保證系統(tǒng)電流不會超限，以免對電網(wǎng)造成沖擊。智能保護(hù)控制策略可根據(jù)實(shí)時情況自動調(diào)整PCS 工作模式，并快速響應(yīng)異常情況。

2）優(yōu)化電能儲存與釋放 光伏發(fā)電系統(tǒng)在高峰期產(chǎn)能過剩時，PCS 應(yīng)將其儲存到電池中，在電網(wǎng)需求高或電池電量低的情況下，PCS 可將電池中儲存的電能迅速釋放以補(bǔ)充電網(wǎng)供電不足。其控制策略可根據(jù)電能需求和電池狀態(tài)自動調(diào)整儲能與釋放的比例，提高光伏系統(tǒng)的自給自足能力，減少對電網(wǎng)的依賴。

3）響應(yīng)電網(wǎng)能力 當(dāng)有突發(fā)情況導(dǎo)致電網(wǎng)供電不穩(wěn)定時，PCS 可以迅速響應(yīng)，并在最短時間內(nèi)切換工作模式以保持電網(wǎng)穩(wěn)定。同時PCS 支持雙向功率調(diào)節(jié)，能根據(jù)電網(wǎng)需求主動提供有功功率或吸收無功功率。

3.2.2 BMS 保護(hù)策略

儲能系統(tǒng)支持BMS 的分級保護(hù)，可根據(jù)告警嚴(yán)重程度定制分級控制策略，最大化保證系統(tǒng)安全、高效運(yùn)行；同時系統(tǒng)支持根據(jù)BMS 故障定制保護(hù)策略，提高響應(yīng)準(zhǔn)確性。

1）充放電控制策略 電池在充電過程中容易產(chǎn)生極化現(xiàn)象和過渡充電等問題，在放電過程中容易產(chǎn)生內(nèi)部電阻增加、電壓下降等問題。因此，BMS 保護(hù)策略是通過控制充放電電流、充放電電壓、充放電時間進(jìn)行控制以保證電池安全高效。

2）電池異常保護(hù)策略 當(dāng)電池發(fā)生異常情況（如過放、過充、過溫、短路等），BMS 可執(zhí)行相應(yīng)的保護(hù)措施以保證電池的安全，可采取停用、降載、斷電等措施。

3）BMS 診斷及故障處理 當(dāng)BMS 診斷出故障時，需要根據(jù)BMS 系統(tǒng)顯示的警告信息和故障代碼，結(jié)合其分析結(jié)果，以便確定故障位置和原因。

4 實(shí)施效益

光伏節(jié)能系統(tǒng)成功應(yīng)用于天津某港口碼頭，一期項目共12 臺岸橋設(shè)備投入使用。該系統(tǒng)性能穩(wěn)定，整體運(yùn)用情況良好，節(jié)能效果明顯。按照天津波峰電價1.056 9 元/kWh，峰電價0.963 5 元/kWh，平電價0.678 0 元/kWh，光伏發(fā)電時間段峰平階段，經(jīng)計算，光伏加權(quán)電價為0.858 元/kWh，峰谷電價差異為0.555 元/kWh。

1）光伏發(fā)電收益 平均每年發(fā)電量約為28.61 萬kWh，由于港口機(jī)械用電量大，光伏容量小，自我消納能力可評估為100%完全消納，每年可獲取收益24.55萬元。

2）儲能峰谷價差收益 每天儲能系統(tǒng)削峰填谷，一充一放電量為25 kWh，按儲能系統(tǒng)95%損耗，1 a 為300 個充放周期，每年獲得峰谷價差收益4.56 萬元。

如光伏節(jié)能系統(tǒng)能夠在港口更多設(shè)備上使用，長期收益會更加突出。另外，該項目作為光儲節(jié)能系統(tǒng)在港口設(shè)備上的新能源示范應(yīng)用，具有廣泛的展示意義。

5 結(jié)論與展望

通過在其機(jī)器房頂部建設(shè)分布式光伏/光儲發(fā)電系統(tǒng)，采用自發(fā)自用、余電并網(wǎng)的智慧節(jié)能模式，實(shí)現(xiàn)光伏節(jié)能系統(tǒng)在岸橋上的成功應(yīng)用，是港口新能源應(yīng)用的重大突破。光伏節(jié)能系統(tǒng)具有綠色環(huán)保、安全可靠、適應(yīng)性強(qiáng)、長期收益、可再生性和維護(hù)成本低等優(yōu)點(diǎn)，該系統(tǒng)的成功實(shí)施，不僅能夠加快港口能源低碳化轉(zhuǎn)型步伐，而且對我國光伏節(jié)能事業(yè)的發(fā)展推廣有著重要意義。