光伏節能系統在岸邊集裝箱起重機中的應用

宋祥吉 顧強 王金東 劉雪峰 丁云鵬

1 青島海西重機有限責任公司 青島 266530 2 濟寧港航龍拱港有限公司 濟寧 272000

0 引言

為了推動節能技術進步，提高能源利用效率，促進節約能源和優化用能結構，建設資源節約型、環境友好型社會，國家發展和改革委員會、科學技術部于2006年12 月發布了新的《中國節能技術政策大綱》中提出，在太陽能技術方面，研發太陽能光伏硅材料的生產技術，發展光伏發電技術[1]，發展太陽能熱利用技術；在節能新材料方面，研發新型高效能量轉換與貯能裝置及材料，推進燃料電池、太陽電池組件、金屬空氣電池，超級電容器及相關材料的應用和發展。

隨著全球煤炭、石油等化石能源消耗對環境產生的污染減少，加快能源結構調整，世界各國加快了對清潔新能源的開發利用。太陽能作為具有清潔無害、分布廣泛等特點的新能源，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今分布式新能源發電的熱點，光伏技術的應用在各行業中得到了蓬勃發展。

然而，由于港口機械是能耗設備且專業性較強，大范圍應用難度較大，目前光伏技術在港口機械行業的應用較少。本文針對岸邊集裝箱起重機（以下簡稱岸橋）的工作特點，采用光伏/光儲發電系統現有成熟技術，將光伏節能系統應用于港口集裝箱設備上，該應用是港口新能源應用的一個重要探索，同樣也是中國式現代化、零碳碼頭的必經之路。

1 系統方案設計

1.1 系統架構

光伏并網發電系統主要由光伏組件、光伏控制器、蓄電池組、光伏并網逆變器、電氣房配電箱、交換機、能源監控平臺等組成。光伏節能系統架構如圖1 所示。

圖1 光伏節能系統架構圖

1.2 系統方案總體設計

1.2.1 設計原則

在岸橋設備原有電控方案基礎上，新增加光伏節能系統不影響其他使用，故采用自發自用的模式能較好地適應集裝箱設備使用環境。

1.2.2 系統方案說明

系統通過光伏組件獲取太陽能，經光伏控制器連接蓄電池組和并網逆變器，控制器的作用是控制系統的工作狀態并對蓄電池起到過充電保護、過放電保護的作用，在溫差較大的地方，控制器還需具備溫度補償功能以保證系統穩定運行。并網光伏逆變器可將直流電轉換為交流，與電氣房內配電箱連接，通過三相并網逆變器采用工頻隔離變壓器的拓撲結構，可實現與設備并網完成對岸橋輔助系統的供電，其結構簡單、可靠性高、抗沖擊性能好、安全性能良好，直流側最大功率點跟蹤（Maximum Power Point Tracking，MPPT）電壓等級可控制在200 ～1 000 V。該系統還配置電池管理系統（Battery Management System，BMS），可實現對光伏發電系統、儲能系統、配電回路、饋線等相關供電設備運行情況進行電氣量、狀態量的實時監控，完成測量數據歸檔及統計報表功能，及時掌握電網系統的各種事故和警報事件。另外，該系統在遠程中控還配置了能源監控平臺，通過光纖交換機（安裝于電氣房配電箱內）、核心交換機（安裝于遠控網絡機柜內）連接組網，完成詳細監測數據的上傳，實現集裝箱設備及碼頭所有設備的光伏節能系統綜合信息監控。

1.2.3 系統方案設計步驟

1）岸橋增設光伏組件 根據岸橋機器房頂的面積，計算可得每臺岸橋可增設安裝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，總容量63×550 ＝34 650 Wp。

2）光伏逆變器配置 岸橋機器房頂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 接入岸橋輔助系統供電，就近消納供給岸橋輔助回路負荷使用。當本地負載需求大于光伏發電功率時，由市電進行補充。當本地負載小于光伏發電功率時，輸出電能管理系統限制逆變器發電，確保光伏電能并網。

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

4）電能管理系統配置 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，可以實時監控和控制光伏系統向電網輸送的電能，可有效管理光伏系統能量輸出，提升系統效益。設備通過控制逆變器的輸出功率，限制電力進入電網，保證電網安全，簡化電網手續。

5）遠控平臺通訊及數據上傳 設備端采集重要信息數據，上傳至遠控中心的大數據平臺，建設碼頭設備能源生產、傳輸等過程中信息數據采集監控系統。

1.3 系統硬件設計選型

1.3.1 太陽能電池板

首先是在技術成熟度高、運行可靠的前提下，結合岸橋機器房的自然環境、施工條件、交通運輸等狀況，選用行業內的主導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最佳的太陽能電池組件。目前市面上常規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，化合物電池為小規模生產，無法供應于大規模的項目。單晶硅、多晶硅太陽電池制造技術成熟、產品性能穩定、使用壽命長、光電轉化效率相對較高。非晶硅薄膜太陽電池價格低廉，弱光效應能力較強，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。考慮到岸橋機器房頂面積有限，選用適用于港機設備高效半片單晶硅電池組件，單塊容量為530 ～550 Wp，組件串聯數應滿足直流變換器MPPT 范圍[2]。

1.3.2 光伏逆變器

逆變器按輸入直流電源性質分類，可分為電壓源型逆變器和電流源型逆變器。對于并網光伏發電系統中的逆變控制技術是有源逆變，其運行條件需依賴強大的電網支撐。為了獲得更優的控制性能，并網逆變器應采用輸出電流源的方式并網[3]。并網逆變器是將直流電流變換為交流電流的裝置，是光伏發電的核心設備。并網逆變器的主要技術要求為：

1）逆變器能夠在較大的直流輸入電壓范圍內正常工作，并保證交流輸出電壓穩定。

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一致，以實現向電網無擾動平滑供電。

4）逆變器的輸入終端電阻應自適應于光伏發電系統的實際運行特性，保證光伏發電系統運行在最大功率點[4]。

5）逆變器應具有一定的抗干擾能力、環境適應能力、瞬時過載能力及各種保護功能。

6）其額定電壓、電流、諧波因數、總諧波畸變率、畸變因數等應該符合《國家電網公司光伏電站接入電網技術規定》的相關要求[5]。

參照并網逆變器的主要技術參數要求，岸橋設備上可選用國產一線品牌的組串式光伏逆變器，根據光伏設置總容量及岸橋公共供電電壓等級，逆變器容量可選用30 kW，輸出380 V，確保安全可靠，輸出電能質量穩定，滿足多種并網入網安全標準。集成安全保護功能，戶內防護等級為IP23，逆變器最大轉換效率為98.1%。

1.3.3 儲能電池

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

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

1.3.4 電能管理系統

儲能電池系統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（Battery Array Management System，BAMS）。BAMS 負責統一管理2 種儲能系統，其中n組電池子系統由n個BCMS 管理，每個BCMS 管理14個BMU，每個BMU 管理2 個電池箱。電能管理系統拓撲如圖2 所示。

圖2 電能管理系統拓撲圖

BAMS 通過以太網將電池信息上傳給能量管理系統（Energy Management System，EMS），并接受其指令實現對電池的操作。BAMS 和BCMS 之間以及BCMS和BMU 之間均是通過CAN（Controller Area Network）通信，BMU 實現對電池信息的實時采集和運算，均衡功能的控制執行，并將信息上傳給BCMS 統一管理，由BAMS 實現實時顯示及對后臺的數據傳輸。

EMS 實現數據采集與處理，實時數據庫，人機界面和報表及維護以及歷史數據庫管理。系統人機界面采用分布式全圖形化人機接口，提供統一標準的圖形平臺，包括系統接線圖、各種統計量的棒形圖、餅形圖、曲線圖和表格均可在圖形系統中加以顯示。在運行態下，圖形中的遙測、遙信量等動態點將根據數據庫的變化自動刷新，并通過顏色變化和狀態變化顯示不同的測點狀態和數值。調度員可以方便地選擇所需的操作，輸入相應的參數和注釋、執行或中斷所進行的操作。圖形程序提供電度量顯示功能，支持日電量顯示。通過對工作站人機界面的監視，可以了解電力系統、自動化系統以及整個后臺系統和通訊系統的運行工況。運行信息通過文字、狀態、聲光、顏色等多種方式體現到人機界面上。系統報表用于將歷史數據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，將歷史數據以表格的形式靈活的顯示并形成統計報表。

1.3.5 能源監控平臺通訊及數據上傳

港口能源監控平臺實時監控光伏節能系統的狀態及相關信息，需與EMS 通訊方可實現數據上傳。由能源管理系統采集每臺岸橋光伏節能系統的信息數據，利用岸橋原有的局域網，通過網線/光纖上傳至港口監控后臺，從而形成碼頭所有設備的光伏節能系統綜合信息監控網絡。

2 實施安裝設計及布置

2.1 光伏組件安裝導軌布置

岸橋機器房鋼結構房頂采用焊接預埋件形式，通過高強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。機器房頂光伏組件安裝導軌布置圖如圖3 所示。

圖3 光伏組件安裝導軌布局圖

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，共3 個回路。

2）太陽能電池傾角設計 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，組件的串聯數可滿足直流變換器MPPT 范圍。

2.2 防雷接地布置

利用集裝箱機器房頂鋼結構的避雷接地網，根據現場情況調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帶有不少于2 處連接，接地點連接均采用螺栓連接，防雷接地布置如圖4 所示。機器房頂需保證系統的接地電阻≤4 Ω，如接地電阻值不符合要求，應采取增加垂直接地體或水平接地體等降阻措施。另外，需保證光伏節能系統的電氣設備與接地網之間并聯接地，不可將設備間的地互聯后再接地網。

圖4 防雷接地布置圖

3 關鍵技術研究及應用

3.1 峰谷調節

EMS 通過協調儲能變流器（Power Conversion System，PCS）、BMS 進行充放電控制。儲能控制系統支持基于電價輸入（支持峰平谷電價及尖峰平谷電價）的自動儲能峰谷調節控制以及基于功率輸入的儲能峰谷調節。自動儲能峰谷調節能根據儲能系統可充放電量、當日電費及歷史負荷情況計算收益最大化目標下的充放電計劃，并每4 h 動態更新；儲能峰谷調節可根據用戶輸入的分時功率設定值控制儲能系統出力。儲能控制系統的控制流程圖5 所示。

圖5 儲能控制系統流程圖

3.2 控制策略

3.2.1 PCS 保護策略

在光伏發電系統中，PCS 負責將光伏電池陣列產生的直流電轉換為交流電，并將多余的電能儲存在電池中或向電網供電。因此，為發揮PCS 的最大功效，合理的控制策略至關重要。

1）保證系統安全穩定運行 在光伏電池陣列功率波動較大的情況下，PCS 可及時調整電池充放電功率，保持系統電壓和頻率的穩定，另外，PCS 還需保證系統電流不會超限，以免對電網造成沖擊。智能保護控制策略可根據實時情況自動調整PCS 工作模式，并快速響應異常情況。

2）優化電能儲存與釋放 光伏發電系統在高峰期產能過剩時，PCS 應將其儲存到電池中，在電網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充電網供電不足。其控制策略可根據電能需求和電池狀態自動調整儲能與釋放的比例，提高光伏系統的自給自足能力，減少對電網的依賴。

3）響應電網能力 當有突發情況導致電網供電不穩定時，PCS 可以迅速響應，并在最短時間內切換工作模式以保持電網穩定。同時PCS 支持雙向功率調節，能根據電網需求主動提供有功功率或吸收無功功率。

3.2.2 BMS 保護策略

儲能系統支持BMS 的分級保護，可根據告警嚴重程度定制分級控制策略，最大化保證系統安全、高效運行；同時系統支持根據BMS 故障定制保護策略，提高響應準確性。

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

2）電池異常保護策略 當電池發生異常情況（如過放、過充、過溫、短路等），BMS 可執行相應的保護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BMS 診斷出故障時，需要根據BMS 系統顯示的警告信息和故障代碼，結合其分析結果，以便確定故障位置和原因。

4 實施效益

光伏節能系統成功應用于天津某港口碼頭，一期項目共12 臺岸橋設備投入使用。該系統性能穩定，整體運用情況良好，節能效果明顯。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，光伏發電時間段峰平階段，經計算，光伏加權電價為0.858 元/kWh，峰谷電價差異為0.555 元/kWh。

1）光伏發電收益 平均每年發電量約為28.61 萬kWh，由于港口機械用電量大，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 每天儲能系統削峰填谷，一充一放電量為25 kWh，按儲能系統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。

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

5 結論與展望

通過在其機器房頂部建設分布式光伏/光儲發電系統，采用自發自用、余電并網的智慧節能模式，實現光伏節能系統在岸橋上的成功應用，是港口新能源應用的重大突破。光伏節能系統具有綠色環保、安全可靠、適應性強、長期收益、可再生性和維護成本低等優點，該系統的成功實施，不僅能夠加快港口能源低碳化轉型步伐，而且對我國光伏節能事業的發展推廣有著重要意義。