內河港口綜合能源系統規劃方法研究

中圖分類號：TV92

文獻標志碼：A

0 引言

“雙碳”目標背景下，各行業不斷發掘自身節能減排潛力，提升能源使用效率，以實現溫室氣體排放量的有效控制。目前，水路交通行業用能集中在港口交通、港口裝備和在港船舶等方面，仍以化石燃料消耗為主，尤其是燃油消耗占比較高，清潔能源使用率較低，亟待實現清潔能源替代和綠色轉型[1-3]。

《關于加快經濟社會發展全面綠色轉型的意見》《關于進一步推進電能替代的指導意見》要求推進碼頭交通基礎設施節能降碳改造，提升設施綠色化智能化水平，建設低碳（近零碳）碼頭，這一政策導向，凸顯了其在國家綠色發展戰略中的重要性，為本研究提供了重要政策依據和實踐方向[4-5]。

現有文獻由淺入深研究了大型海港低碳化、清潔化改進規劃方法。文獻[6]、文獻[7]指出以電能替代為契機，建設港口綜合能源，適應時代發展要求，是港口發展必然趨勢。文獻[8]指出港口綜合能源系統是“電力為主體、多種能流并存、交通與能量耦合運行”的能源－交通綜合系統。文獻[9]詳細闡述微電網系統組成。文獻[10]以天津港為例研究了港區場景分布式能源規劃方法。文獻[11]、文獻[12]研究了大型海港綜合能源系統的優化調度和經濟評價方法。

不同于大型海港的標準化布局，內河港口功能布局受到地域特征和發展規模限制，其基礎設施配置參差不齊。文獻[13]—文獻[17]研究了內河港口的發展歷程和演進模式，但均未能考慮內河港口在綜合能源方向的改造升級。現階段未見可參考的工程案例，內河港口高質量發展受到制約。

本文基于內河港口典型功能分區特性，分析其能源、交通網絡及耦合關系；根據港口現狀研究其能源、交通資源稟賦及綜合能源開發潛力；結合清潔能源生產、化石能源替代、基礎設施升級途徑提出綜合能源規劃方法；參照綠色港口等級評價指標體系，對華中地區某港口的綜合能源實例規劃進行評價，驗證所提規劃方法的有效性。

1內河港口現狀特征

針對規劃過程中內河港口綜合能源系統因地域、規模限制，無法采用標準化布局的問題，從功能分區、能源網絡和交通網絡三方面入手研究內河港口現狀特征。

1.1 港口功能分區

港口內不同的功能分區和用地類型，其能源、交通和資源特征也不相同。聯合國貿易發展委員會提出的“港口代際劃分”理論把港口劃分為四個代際：一代港為裝卸港，主要功能為貨物裝卸與船舶停靠，包含碼頭區和倉儲區；二代港為工業港，新增了分包、拆裝等簡單加工功能；三代港在二代港的基礎上增加了貨物信息、商貿金融等功能，新增集疏運區，配套商業服務設施用地[18-19]；四代港在三代港的基礎上更關注綠色生態港口的建設，常見分布如圖1所示[20]。

圖1四代港港口功能分區

1.2港口能源網絡特征

港口內不同功能分區包含各種類型的用能負荷，具有不同的用能特征。多種能源從形式上耦合，在空間上交叉，形成了港口能源網絡，厘清港口能源網絡特征是研究港口綜合能源的關鍵。

港口能源網絡通常包含電網、可再生能源電力、化石能源、清潔燃料4大類主要能源。電力系統供電是港區能源的主要來源，典型的電力負荷場景主要包括碼頭作業、日常辦公等，其中碼頭作業場景包括倉儲、集裝箱、裝卸、對外交通等工作類型，含裝卸、輔助生產和照明等負荷，日常辦公場景包含用電、空調和采暖等負荷。不同負荷場景的負荷曲線在日、季和年的時間尺度下具有鮮明的特征，如碼頭生產 24h 不間斷，因此集裝箱、倉儲、物流等碼頭生產負荷特性曲線比較平坦，辦公樓日負荷特性與工作時間直接相關，年負荷特性隨季節顯著變化，因此居民年負荷曲線變化明顯[1]。除電力用能外，化石能源也是港口區域的主要能量來源，同時也是港口區域碳排放的主要原因，負荷主要為船舶、作業機械、生產車輛和交通車輛。

港口冷熱能通常按需獨立配置，先進大型港口包含成套化工生產車間和冷鏈設備，配置冷熱能網絡，構成能源網絡的重要部分，包括LNG氣化冷能收集、乙烯生產富余熱量收集等，經特定傳輸方式按需分配至不同用戶。未來港口冷熱供能將與風能、太陽能等互補，形成更立體的能源網絡。

1.3港口交通網絡特征

港口交通網絡主要由停靠船舶和港區車輛組成，在通過傳統化石燃料供能時，其能源－交通關系相對獨立。

在船舶停靠于泊位時，船舶用能通過輔機燃燒化石燃料獲得，會產生大量的溫室氣體和污染排放。港口岸電技術使船舶靠岸時可通過線纜直接接入陸地電力系統，使用陸地電力供應，消除輔機燃燒化石燃料的污染排放[21]。港口岸電的大面積推廣改變了船舶用能的獨立性，使港口與船舶的聯系從單純的交通聯系轉變為交通和能量的雙重聯系。隨著技術發展，港口岸電還需要滿足船舶儲能充電需求，將進一步影響港口電力系統運行特性。

港口運行車輛包括生產用車、通勤用車和私家車，通常通過汽油或柴油驅動。生產用車包括集裝箱抓取車、集裝箱運輸車、叉車、吊車、貨車等，大多限制在固定區域內運行，遵循預定工作調度計劃；通勤車、私家車運行時間與上下班時間密切相關，具有顯著的時空聚集特性和規律性。港口內運行的車輛與港口內各功能分區緊密聯系，形成了具有時空特性的交通網絡。開展電氣化改造后，交通網絡將與港口電力系統耦合，車輛的移動與能量的流動將緊密聯系在一起。

2港口綜合能源開發潛力

2.1港口能源資源稟賦

我國絕大多數內河港口位于四類風資源區域和三類光資源區域。內河高等級航道中不同資源區的占比見表1[22]。

表1內河航道資源統計

文獻[10]對港口發電潛力進行了統計，按照港區 30% 的總面積范圍內鋪設光伏或風力發電設備計算，假設太陽能經光電設備轉換為電能總輸出效率為20% ，我國港口區域樂觀場景下的太陽能可裝機容量約為 29623MW ，年發電量約為 5.74×10⁹kW?h ：假設風能經機電設備轉換為電能總輸出效率為 30% ，我國港口風能可裝機容量約為 220000MW ，年發電量約為 1.39×10¹⁰kW?h 。我國內河港口風光資源條件較好，大部分港口均具備開發新能源的巨大潛力。

2.2 港口交通資源稟賦

我國水路交通系統的貨運量和貨物運輸周轉量逐年增長，貨運總量預測統計見表2[22-23]。

表2內河水運量預測統計

電氣化的改造將有效減少化石能源的使用，提升能源使用效率。根據文獻[24]，混合動力車輛可減少 66% 以上的碳排放，全電動力轉運車輛可減少 90% 以上的碳排放，清潔能源轉運車輛的減排效果取決于清潔能源的來源，若清潔能源完全由可再生能源制備，其減排效果可達 90% 以上。混合動力集裝箱卡車相較于傳統卡車可減少 27.1% 的能量消耗，貨物的平移、抬升和下降所消耗的能量分別減少 52% 、 31% 和 11% 。

2.3 綜合能源開發路徑

分布式能源的引入打破了港口只能消費能源的舊模式，使其成為集能源生產、轉化和消費于一體的多功能場所，也使得港口綜合能源系統在能量特性和交通特性上與傳統綜合能源系統有明顯不同。合理利用這一特性，不僅能夠實現減少港口整體污染物排放，還能夠有效提升港口綜合能效，但港口交通的電氣化則對電能供應提出了更高的要求[25]。配置綜合能源管理系統將改變港口交通運輸系統能源消費的屬性，通過優化調度為港口運行提供靈活性，即提前制定能量管理方案，在港口完成貨物轉運任務的同時，為轉運車輛提供能量供給，使其具備電力需求側響應的能力[26-27]。例如通過調度指令或價格調整的方式，在電能充沛的時間，引導車船有序進行充換電，在電能緊缺的時間，調節港區內基礎設施運行狀態，并利用儲能系統在時間尺度上平滑這一電能分配過程，從而實現能量管理。針對不同負荷場景的綜合能源開發路徑如圖2所示。

3港口綜合能源開發實現途徑

3.1清潔能源生產途徑

基于港口所在地的光資源稟賦，可酌情開發屋面光伏、光伏車棚、地面光伏、BIPV車棚、風光一體化路燈，將太陽能轉化為清潔電能使用；基于港口所在地的風資源稟賦，可酌情開發大型風機、分散式風機、垂直軸微風風機，將風能轉化為清潔電能使用。此外，還可以通過地源熱泵、水源熱泵技術利用地熱能，通過電解氫、氫轉氨、氫能汽車技術利用氫能等。適用場景如表3所示。

表3清潔能源適用場景

3.2 化石能源替代途徑

“油改電”途徑包括港口岸電、新能源汽車充換電、換電重卡和氫能源汽車等。基于港口內清潔能源配置，可將汽油或柴油驅動形式升級為電驅動、氫能燃料電池驅動或混合動力。其中，通勤車輛停放時間長，可考慮充電模式；內部生產用車運行線路規律性強，可優先考慮換電模式；若港區內清潔能源豐富，可考慮制氫，推廣氫能模式。靠岸船舶也可推廣港口岸電和氫能燃料電池等多種能源替代方式，如表4所示。

表4港口化石能源替代途徑

3.3基礎設施升級途徑

基礎設施升級途徑包括采用地源熱泵、江水源熱泵、冰蓄冷及多元儲能等。地源熱泵、江水源熱泵利用地下巖土、江水的溫度穩定特性實現冷熱供應，通過地埋管換熱器與建筑內部完成熱量交換，具有高效節能、運行費用低、環保效益好等顯著優勢；冰蓄冷利用冰的相變過程來儲存和釋放能量，谷電制冰，高峰時段釋放儲存的冰能量來平滑負載或應對能源需求高峰，實現時間上的能量儲存和釋放；多元儲能中運用最廣泛的儲能技術是鋰電池儲能，具有高能量密度、長壽命、低自放電率和高效率的特點。鈉硫電池儲能、壓縮空氣儲能、液流電池、超級電容器、飛輪儲能等其他儲能技術也有著各自獨特優勢。

4綜合能源規劃方法

4.1 港口源荷開發潛力分析

計算港區綜合能源系統開發潛力時，應先統計整個港口的能源消耗總量，并分析電力消耗情況和化石能源消耗情況等。

電力消耗情況包括年用電量、月用電量、日負荷曲線。根據負荷曲線研究電力負荷的時間統計特性，包括負荷的峰谷特性和季節性分布等，研究電力負荷的空間分布特性，包括電力消耗集中的區域和集中的設施等。

化石能源消耗情況包括不同設施、交通工具對各品類化石能源的消耗量，研究設施和交通工具的運行時間、空間特性。

研究港口的風、光資源稟賦，調研可用于建設風光場站的空地、閑置水域、屋面、廊道、停車場、道路等，研究這些場所的地理分布、周邊電力網絡情況，初步計算風、光分布式電站的裝機容量和發電量。調研港區換電站、充電站、冷熱供應等基礎設施更新改造需求，初步計算改造對電力負荷造成的影響，包括負荷大小、時間分布和空間分布等。

4.2 港口能源-交通網絡協同配置

為形成高效的能源－交通耦合網絡，應調研港區的電力系統網架結構、電壓等級和現階段的監控管理方式；調研港區的道路設施分布、道路運行壓力和擁堵情況；調研港區內工作排班情況，分析運行車船的聚集程度和時空分布。

在此基礎上，對比分析電源與負荷的關系，包括總量對比、源荷同時性和電力的就地消納情況。在滿足使用需求的前提下對電源和負荷的規模、地理位置和接入方式進行配置，盡可能實現源荷的時空協同。

為保證港口綜合能源系統的運行效率，提升源荷匹配性，可進一步調研港區微電網、路網的升級、優化可行性以及現場工作調度的可協同程度。

依據升級后的電網、路網架構，基于實際使用需求，按照時空匹配原則配置可再生能源、交通及其他基礎設施。對于無法實現時空匹配的節點，可在滿足經濟性的條件下配置儲能。最后，按需配置對應規模的綜合能源管理系統，實現整個場站的運行監控和調度管理。

4.3綜合能源規劃流程

從港口能源消耗現狀、清潔能源資源稟賦和基礎設施建設需求三個方面展開綜合能源規劃，分調研、統計、分析、研究、規劃、優化和檢查多個階段編制內河港口綜合能源規劃流程，如圖3所示。

開始港口能源消耗現狀特性研究 港口清潔能源資源稟賦研究 港口基礎設施建設需求研究統計電力消耗情況 調研可用于建設風光場站的場地及地理分布 調研港區電力系統架構統計化石能源消耗情況 初步計算風、光電站的裝機容量和發電量 研究電力負荷空間分布特性研究港口的能源消耗總量 按照基本就地消納原則初步匹配源荷規模 研究基礎設施更新改造需求

研究電力負荷多時間尺度統計特性 分析源荷同時性和電力就地消納情況，優 調研港區道路設施分布和運行情況化源荷規模、地理位置和接入方式配置研究設施和交通工具時空特性 按需求側響應程度進一步優化源 計算改造對電力負荷造成的影響荷規模、地理位置和接入方式

詳細刻畫港口能源消耗時空特性 詳細刻畫港口新改擴建基礎設施特性對于無法實現時空匹配的節點兼顧經濟性逐級配置儲能調研港區工作排班，分析運行車船聚集特性√是檢查是否能進一步優化 依據升級后的電網、路網優化基礎設施配置否按需配置綜合能源管理系統及配套硬件結束

5 案例分析

以長江岸線某內河港口為例開展綜合能源系統規劃。

5.1 現狀分析

該港口建設現狀屬于三代港，逐步向四代港發展建設。空間區劃主要包括港口碼頭區、倉儲區、物流區和辦公區，歸屬于同一內部配電網絡。港區用能現狀見表5。

表5港區用能現狀分析

除上述區域內用能外，港口碼頭與倉儲區的貨物運輸主要通過電動皮帶機實現，倉儲區與物流區等其他區域的貨物運輸主要通過柴油貨車實現，整個港口2023年用電量約 2.0×10⁷kW?h ，且近年來呈逐年上升趨勢。

工業和物流用電負荷穩定，負荷曲線平坦；辦公用電負荷與工作時間相關性顯著，具有周期性、季節性特征。

工業和物流消耗化石能源的速率穩定，與車輛調度排班具有直接的關系，沒有明顯的峰谷，極少存在排隊使用柴油加油設備的情況；辦公車輛對汽油的消耗和對汽油加油設備的使用與工作時間特別是上下班時間有顯著的關系，存在排隊使用汽油加

油設備的情況。

5.2 資源分析

結合多年Solargis數據的太陽輻射資料統計數據，該區域范圍內年太陽輻射量為 1293.1kW?h/Ω（m²?a） ，太陽能資源屬資源豐富地區，具有較好的開發利用價值。

以當地中尺度風資源數據作為依據，該區域各高度年平均風速在 2.5～4.0m/s 之間，從風能資源的角度，暫不建議開發大型風電項目。

港口倉儲區、物流區建設有7座大量倉庫，閑置屋面總面積超過 90 000m² 。港區堤上道路相對于其他位置風資源條件較優，可一定程度上利用風能。

辦公區停車場處于露天狀態，有開發光伏車棚、配套充電設施的需求。倉儲區、物流區各類生產、通勤車輛均消耗化石能源，且該港口暫未建設港口岸電，臨港船舶采用柴油發電供應自用電，溫室氣體、污染物排放情況嚴重，具有較大的“油改電”開發空間。

辦公區供冷、供暖均采用空調設備，用電量大，具有降本增效的需求，可就近利用江水源熱泵實現供冷供暖設備的改造升級。

該港口的電力系統結構簡單，依賴人工值守進行管理，供電可靠性一般。港口所有電力負荷均按照現場工作需求直接啟停，未有整體調度。考慮到各類交通資源的電氣化接入和新能源裝機，港口電力系統亟待智慧化改造升級，通過對各類負荷的統一調度，實現需求側響應，提升電力系統的能效水平和可靠性。

5.3 系統規劃

5.3.1 能源規劃

基于港區豐富的光資源條件，結合大量閑置屋面現狀，規劃采用屋頂分布式光伏作為主要清潔電源。

統計港區全部閑置屋面面積，可規劃屋頂分布式光伏裝機容量約 12MW ，年發電量約1400萬kW·h，總量小于港口用電量，從總發電量的角度考慮可以實現自發自用。

在倉庫間廊道區域配置柔性支架光伏，裝機容量約 2MW 。在大面積露天停車場配置光伏車棚，可規劃容量約 0.4MW ，在滿足本區域充電設備用電的基礎上，可向周邊用電設備供電。

港區堤上道路風資源較優，規劃建設200盞風光電一體化路燈，實現道路照明用電的自發自用，使道路照明用電無需依賴外部電源。

由于可再生能源發電量小于港口用電量，暫不考慮余電制氫。

5.3.2 交通設施規劃

在港口配置8座岸電設備，滿足停靠船舶的日常用電需求。

分區建設6座光伏車棚，車棚內規劃快速充電區和日常充電區，按照 1：10 的比例配置快速直流充電樁和普通交流充電樁，滿足港區執法巡邏電動汽車、港區內通勤電動汽車和私家電動汽車的日常充電需求。

規劃建設兩座重卡換電站，分別設置在倉儲區和物流區，滿足80輛換電重卡最多日均400次的日常運輸工作。其中倉儲區換電站滿足倉儲區與碼頭區、物流區的日常運輸需求，物流區換電站滿足對外運輸車輛的換電需求。

5.3.3基礎設施規劃

在辦公區建設江水源熱泵，替代原有的空調提供冷熱供應。配置2臺制熱量為 394.2kW 、制冷量為 377.8kW 的江水源熱泵機組，滿足冬季熱負荷需求，額外配置1臺制冷量為 802kW 的冷水機組滿足夏季冷負荷需求。

在各級配電室按需配置 5MW/10MW?h 、1MW/2MW·h鋰電池儲能，在小型屋面按需配置 100kW/ 200kW?h 鋰電池儲能，實現清潔電能的完全自發自用和最小電能損耗。

5.3.4電力－交通耦合網絡規劃

大規模的屋頂分布式光伏、柔性支架光伏采用10kV 電壓等級接入，優先滿足 10kV 大型設備和重卡換電站的用電；小規模屋頂分布式光伏、光伏車棚采用 380V 電壓等級接入，滿足鄰近 380V 工業負荷、日常負荷和充電樁用電；風光電一體化路燈采用 220V 接入，余電供給到同電壓等級負荷。

根據港區的冷熱、交通需求，因地制宜配置江水源熱泵、港口岸電、充電樁和換電設施，在保證用戶需求的基礎上，盡可能縮短負荷與清潔能源并網點的電氣距離，減小清潔電力的傳輸損耗。

按照港區的電力潮流，在各電壓等級多節點配置鋰電池儲能，使各個時段的電力消耗與供應得以匹配，在滿足經濟性的條件下實現各電壓等級綠色電能的充分利用，并利用盈余容量實現峰谷套利。

在用能設施的運行過程中，根據港口的實時運營情況和電力消耗情況，靈活調整船舶、重卡、車輛等交通設施的調度策略，配置攝像頭、車載GPS等設備實現整個調度過程可觀可控。通過需求側響應的方式調整電力消耗，實現削峰填谷，通過對交通網絡的調度來優化電力網絡的運行。

5.4 效果評價

《綠色港口等級評價指南》（JTS/T105-4—2020）依據國家生態文明建設以及行業綠色發展政策，結合環境保護、節能減排以及應對氣候變化技術發展，調查研究港口綠色發展的現狀和要求，制定了綠色港口等級評價指標體系、等級評價內容及計分方法。

參照該評價體系對案例港口進行評價，建設綜合能源系統前后評分對比見圖4。

圖4建設綜合能源系統前后綠色港口評分對比

因港口綜合能源建設，該港口因全方位開展專項規劃、工作計劃、文化宣傳及技能培訓，“理念P1”項評分提升55分；港口岸電、能源消費和輔助設施得到全面提升，“行動P2”項評分提升29分；因具備建立配套的綠色部門及體系、制度條件，“管理P3”項評分提升65分；因二氧化碳、氮氧化物的全面減排，港口岸電及綜合能源的使用，“效果P4”項評分提升78分。綜合上述評分，加權評分提升54.15分，達到三星級綠色港口水平。

港口清潔能源年發電量逾1600萬kW·h，充換電設備替代化石能源供能逾2500萬 kW?h ，冷熱機組減少電力消耗逾300萬 kW?h ，年節能減排總量約4500萬kW·h，相比于火力發電可節約標煤0.56萬t，減少排放二氧化硫約 124.4t， 氮氧化物約 106.8t. 二氧化碳約1.14萬t，還可節約用水6.4萬t，減少煙塵排放 51.8t ，并為港口節省電費約1000萬元，具有顯著的經濟效益和社會效益。

6 總結與展望

以長江岸線某內河港口為例開展綜合能源系統規劃，基于源荷匹配、時空協同理念，融合屋頂分布式光伏、光伏車棚、風光電一體化路燈、港口岸電、充電樁、換電站江水源熱泵、鋰電池儲能等各類元素于港口多級微電網，充分挖掘該港口的低碳化、綠色化發展潛力，參照評價體系對比建設綜合能源系統先后效果，所規劃的綜合能源系統達到三星級綠色港口水平，具有顯著的經濟效益和社會效益。

后續研究擬對港口電力網絡和交通網絡進行建模，對港口能量流動進行動態定量分析，提出考慮源荷雙側不確定性的電力-交通耦合網絡調度控制策略，為港口場景下虛擬電廠的建設和運營提供技術支撐。

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Method of Integrated Energy System Planning for Inland Ports

DUAN Simo，JINQian，YUANBo，ZHANG Shun，WUWeiguo（Changjiang Survey，Planning，Design and Research Co.，Ltd.，Wuhan 43oo10，China）

Abstract：Theconstructionof integratedenergy serves asasignificant technological pathway toachieve highquality development in inland ports.Currentresearch primarily focuses on large seaports，making it diffcult toapply to inland ports constrained by functional layout and urgent facility upgrading requirement.Thisstudy systematically summarized current characteristicsof inland ports in terms offunctional zoning，energy network，andtransportation network，and thenanalyzed the potential for integrated energy development from the aspects of energy resource endowment，transportation resource endowment，and integrated energy system development pathways.The planing method of“source-load matching，spatiotemporal coordination”was subsequently proposed considering clean energy integration，fosil energy substitution，and infrastructure upgrading.Finally，planning of integrated energy system was implemented fora porton the Yangtze River shoreline.According tothe evaluation criteria，the planned integrated energysystem enabled the levelofathre-star green port withsignificant economic and social benefits.

Key words：integrated energy；green port；inland port；clean energy