光伏节能系统在岸边集装箱起重机中的应用

宋祥吉 顾强 王金东 刘雪峰 丁云鹏

1 青岛海西重机有限责任公司 青岛 266530 2 济宁港航龙拱港有限公司 济宁 272000

0 引言

为了推动节能技术进步，提高能源利用效率，促进节约能源和优化用能结构，建设资源节约型、环境友好型社会，国家发展和改革委员会、科学技术部于2006年12 月发布了新的《中国节能技术政策大纲》中提出，在太阳能技术方面，研发太阳能光伏硅材料的生产技术，发展光伏发电技术[1]，发展太阳能热利用技术；在节能新材料方面，研发新型高效能量转换与贮能装置及材料，推进燃料电池、太阳电池组件、金属空气电池，超级电容器及相关材料的应用和发展。

随着全球煤炭、石油等化石能源消耗对环境产生的污染减少，加快能源结构调整，世界各国加快了对清洁新能源的开发利用。太阳能作为具有清洁无害、分布广泛等特点的新能源，越来越受到人们的青睐。太阳能光伏+储能等多元化能源已成为当今分布式新能源发电的热点，光伏技术的应用在各行业中得到了蓬勃发展。

然而，由于港口机械是能耗设备且专业性较强，大范围应用难度较大，目前光伏技术在港口机械行业的应用较少。本文针对岸边集装箱起重机（以下简称岸桥）的工作特点，采用光伏/光储发电系统现有成熟技术，将光伏节能系统应用于港口集装箱设备上，该应用是港口新能源应用的一个重要探索，同样也是中国式现代化、零碳码头的必经之路。

1 系统方案设计

1.1 系统架构

光伏并网发电系统主要由光伏组件、光伏控制器、蓄电池组、光伏并网逆变器、电气房配电箱、交换机、能源监控平台等组成。光伏节能系统架构如图1 所示。

图1 光伏节能系统架构图

1.2 系统方案总体设计

1.2.1 设计原则

在岸桥设备原有电控方案基础上，新增加光伏节能系统不影响其他使用，故采用自发自用的模式能较好地适应集装箱设备使用环境。

1.2.2 系统方案说明

系统通过光伏组件获取太阳能，经光伏控制器连接蓄电池组和并网逆变器，控制器的作用是控制系统的工作状态并对蓄电池起到过充电保护、过放电保护的作用，在温差较大的地方，控制器还需具备温度补偿功能以保证系统稳定运行。并网光伏逆变器可将直流电转换为交流，与电气房内配电箱连接，通过三相并网逆变器采用工频隔离变压器的拓扑结构，可实现与设备并网完成对岸桥辅助系统的供电，其结构简单、可靠性高、抗冲击性能好、安全性能良好，直流侧最大功率点跟踪（Maximum Power Point Tracking，MPPT）电压等级可控制在200 ～1 000 V。该系统还配置电池管理系统（Battery Management System，BMS），可实现对光伏发电系统、储能系统、配电回路、馈线等相关供电设备运行情况进行电气量、状态量的实时监控，完成测量数据归档及统计报表功能，及时掌握电网系统的各种事故和警报事件。另外，该系统在远程中控还配置了能源监控平台，通过光纤交换机（安装于电气房配电箱内）、核心交换机（安装于远控网络机柜内）连接组网，完成详细监测数据的上传，实现集装箱设备及码头所有设备的光伏节能系统综合信息监控。

1.2.3 系统方案设计步骤

1）岸桥增设光伏组件 根据岸桥机器房顶的面积，计算可得每台岸桥可增设安装63 块光伏组件，其光伏组件尺寸为2 256 mm×1 133 mm×35 mm（长×宽×高），单块光伏组件容量530 ～550 Wp，总容量63×550 ＝34 650 Wp。

2）光伏逆变器配置 岸桥机器房顶63 块光伏组件，同一倾角的21 块组件接入30 kW 三相逆变器，三相逆变器通过计量箱，计量箱回路380 V 接入岸桥辅助系统供电，就近消纳供给岸桥辅助回路负荷使用。当本地负载需求大于光伏发电功率时，由市电进行补充。当本地负载小于光伏发电功率时，输出电能管理系统限制逆变器发电，确保光伏电能并网。

3）储能电池装置配置 岸桥电气房室内配置50 kWh 磷酸铁锂储能电池空间，后期可削峰填谷，平滑新能源电能质量，并作为市电断电的应急电源。

4）电能管理系统配置 在公共配电柜中增加与光伏逆变器配套的输出电能管理系统，可以实时监控和控制光伏系统向电网输送的电能，可有效管理光伏系统能量输出，提升系统效益。设备通过控制逆变器的输出功率，限制电力进入电网，保证电网安全，简化电网手续。

5）远控平台通讯及数据上传 设备端采集重要信息数据，上传至远控中心的大数据平台，建设码头设备能源生产、传输等过程中信息数据采集监控系统。

1.3 系统硬件设计选型

1.3.1 太阳能电池板

首先是在技术成熟度高、运行可靠的前提下，结合岸桥机器房的自然环境、施工条件、交通运输等状况，选用行业内的主导太阳能电池组件类型。其次是光伏组件的价格是否具有竞争力，通过综合比选确定综合指标最佳的太阳能电池组件。目前市面上常规各类型电池主要性能对比如表1 所示。

表1 光伏组件性能对比汇总

由表1 可知，化合物电池为小规模生产，无法供应于大规模的项目。单晶硅、多晶硅太阳电池制造技术成熟、产品性能稳定、使用寿命长、光电转化效率相对较高。非晶硅薄膜太阳电池价格低廉，弱光效应能力较强，在高温时的输出功率不会像晶硅电池一样效率下降显著。虽然非晶硅薄膜电池成本较低，但采用非晶硅薄膜电池将增大支架、线缆的投资。考虑到岸桥机器房顶面积有限，选用适用于港机设备高效半片单晶硅电池组件，单块容量为530 ～550 Wp，组件串联数应满足直流变换器MPPT 范围[2]。

1.3.2 光伏逆变器

逆变器按输入直流电源性质分类，可分为电压源型逆变器和电流源型逆变器。对于并网光伏发电系统中的逆变控制技术是有源逆变，其运行条件需依赖强大的电网支撑。为了获得更优的控制性能，并网逆变器应采用输出电流源的方式并网[3]。并网逆变器是将直流电流变换为交流电流的装置，是光伏发电的核心设备。并网逆变器的主要技术要求为：

1）逆变器能够在较大的直流输入电压范围内正常工作，并保证交流输出电压稳定。

2）逆变器输出效率必须在95%以上。即使在逆变器额定功率10%的情况下，也要保证95%（大功率逆变器）以上的转换效率。

3）逆变器的输出电压波形、幅值及相位等与公共电网一致，以实现向电网无扰动平滑供电。

4）逆变器的输入终端电阻应自适应于光伏发电系统的实际运行特性，保证光伏发电系统运行在最大功率点[4]。

5）逆变器应具有一定的抗干扰能力、环境适应能力、瞬时过载能力及各种保护功能。

6）其额定电压、电流、谐波因数、总谐波畸变率、畸变因数等应该符合《国家电网公司光伏电站接入电网技术规定》的相关要求[5]。

参照并网逆变器的主要技术参数要求，岸桥设备上可选用国产一线品牌的组串式光伏逆变器，根据光伏设置总容量及岸桥公共供电电压等级，逆变器容量可选用30 kW，输出380 V，确保安全可靠，输出电能质量稳定，满足多种并网入网安全标准。集成安全保护功能，户内防护等级为IP23，逆变器最大转换效率为98.1%。

1.3.3 储能电池

储能电池选用安全系数高的小型储电池放置于岸桥电气房内，基于磷酸铁锂电池48 V 的储能系统，电池配置定制的电池管理系统BMS，针对小型光储系统应用。白天充光伏发电多余电量，在夜间高峰时期放电；夜间低谷时期充电，白天补充光伏发电。达到提高光伏发电使用效率、削峰填谷、应急备电、赚取峰谷价差收益等作用。

所选储能电池技术特点：10 a 超长使用寿命；支持大电流充放电：100 A（2C）充放电；模块化设计，体积小、质量轻；采用多级能耗管理；前操作，前接线，方便安装、维护；高兼容性BMS，与储能逆变器无缝对接；一键开关机，操作更便捷；适合长期充放电循环。

1.3.4 电能管理系统

储能电池系统BMS 分3 级管理：电池管理单元（Battery Management Unit，BMU）、电池簇管理单元（Battery Cluster Management System，BCMS）和电池阵列管理系统（Battery Array Management System，BAMS）。BAMS 负责统一管理2 种储能系统，其中n组电池子系统由n个BCMS 管理，每个BCMS 管理14个BMU，每个BMU 管理2 个电池箱。电能管理系统拓扑如图2 所示。

图2 电能管理系统拓扑图

BAMS 通过以太网将电池信息上传给能量管理系统（Energy Management System，EMS），并接受其指令实现对电池的操作。BAMS 和BCMS 之间以及BCMS和BMU 之间均是通过CAN（Controller Area Network）通信，BMU 实现对电池信息的实时采集和运算，均衡功能的控制执行，并将信息上传给BCMS 统一管理，由BAMS 实现实时显示及对后台的数据传输。

EMS 实现数据采集与处理，实时数据库，人机界面和报表及维护以及历史数据库管理。系统人机界面采用分布式全图形化人机接口，提供统一标准的图形平台，包括系统接线图、各种统计量的棒形图、饼形图、曲线图和表格均可在图形系统中加以显示。在运行态下，图形中的遥测、遥信量等动态点将根据数据库的变化自动刷新，并通过颜色变化和状态变化显示不同的测点状态和数值。调度员可以方便地选择所需的操作，输入相应的参数和注释、执行或中断所进行的操作。图形程序提供电度量显示功能，支持日电量显示。通过对工作站人机界面的监视，可以了解电力系统、自动化系统以及整个后台系统和通讯系统的运行工况。运行信息通过文字、状态、声光、颜色等多种方式体现到人机界面上。系统报表用于将历史数据以灵活的方式组织到表格中，同时具有打印以及表格编辑功能，将历史数据以表格的形式灵活的显示并形成统计报表。

1.3.5 能源监控平台通讯及数据上传

港口能源监控平台实时监控光伏节能系统的状态及相关信息，需与EMS 通讯方可实现数据上传。由能源管理系统采集每台岸桥光伏节能系统的信息数据，利用岸桥原有的局域网，通过网线/光纤上传至港口监控后台，从而形成码头所有设备的光伏节能系统综合信息监控网络。

2 实施安装设计及布置

2.1 光伏组件安装导轨布置

岸桥机器房钢结构房顶采用焊接预埋件形式，通过高强度螺栓与光伏组件支架安装孔连接。房顶采用彩钢瓦形式，通过专用夹具与房顶固定，为减少震动影响，采用减震橡胶缓冲。机器房顶光伏组件安装导轨布置图如图3 所示。

图3 光伏组件安装导轨布局图

1）太阳能电池阵列组成 每台岸桥共安装63 块550 Wp 单晶硅光伏组件串联，共3 个回路。

2）太阳能电池倾角设计 太阳能电池采用固定式安装，与屋顶坡度一致。

3）太阳能组串设计 每台岸桥选用的组串式逆变器功率为30 kW，其最大方阵开路电压为1 000 V，MPPT 电压范围为200 ～1 000 V，组件的串联数可满足直流变换器MPPT 范围。

2.2 防雷接地布置

利用集装箱机器房顶钢结构的避雷接地网，根据现场情况调整接地扁钢的布置和走向，利用既有的引下线，每个支架均与避雷网带有不少于2 处连接，接地点连接均采用螺栓连接，防雷接地布置如图4 所示。机器房顶需保证系统的接地电阻≤4 Ω，如接地电阻值不符合要求，应采取增加垂直接地体或水平接地体等降阻措施。另外，需保证光伏节能系统的电气设备与接地网之间并联接地，不可将设备间的地互联后再接地网。

图4 防雷接地布置图

3 关键技术研究及应用

3.1 峰谷调节

EMS 通过协调储能变流器（Power Conversion System，PCS）、BMS 进行充放电控制。储能控制系统支持基于电价输入（支持峰平谷电价及尖峰平谷电价）的自动储能峰谷调节控制以及基于功率输入的储能峰谷调节。自动储能峰谷调节能根据储能系统可充放电量、当日电费及历史负荷情况计算收益最大化目标下的充放电计划，并每4 h 动态更新；储能峰谷调节可根据用户输入的分时功率设定值控制储能系统出力。储能控制系统的控制流程图5 所示。

图5 储能控制系统流程图

3.2 控制策略

3.2.1 PCS 保护策略

在光伏发电系统中，PCS 负责将光伏电池阵列产生的直流电转换为交流电，并将多余的电能储存在电池中或向电网供电。因此，为发挥PCS 的最大功效，合理的控制策略至关重要。

1）保证系统安全稳定运行 在光伏电池阵列功率波动较大的情况下，PCS 可及时调整电池充放电功率，保持系统电压和频率的稳定，另外，PCS 还需保证系统电流不会超限，以免对电网造成冲击。智能保护控制策略可根据实时情况自动调整PCS 工作模式，并快速响应异常情况。

2）优化电能储存与释放 光伏发电系统在高峰期产能过剩时，PCS 应将其储存到电池中，在电网需求高或电池电量低的情况下，PCS 可将电池中储存的电能迅速释放以补充电网供电不足。其控制策略可根据电能需求和电池状态自动调整储能与释放的比例，提高光伏系统的自给自足能力，减少对电网的依赖。

3）响应电网能力 当有突发情况导致电网供电不稳定时，PCS 可以迅速响应，并在最短时间内切换工作模式以保持电网稳定。同时PCS 支持双向功率调节，能根据电网需求主动提供有功功率或吸收无功功率。

3.2.2 BMS 保护策略

储能系统支持BMS 的分级保护，可根据告警严重程度定制分级控制策略，最大化保证系统安全、高效运行；同时系统支持根据BMS 故障定制保护策略，提高响应准确性。

1）充放电控制策略 电池在充电过程中容易产生极化现象和过渡充电等问题，在放电过程中容易产生内部电阻增加、电压下降等问题。因此，BMS 保护策略是通过控制充放电电流、充放电电压、充放电时间进行控制以保证电池安全高效。

2）电池异常保护策略 当电池发生异常情况（如过放、过充、过温、短路等），BMS 可执行相应的保护措施以保证电池的安全，可采取停用、降载、断电等措施。

3）BMS 诊断及故障处理 当BMS 诊断出故障时，需要根据BMS 系统显示的警告信息和故障代码，结合其分析结果，以便确定故障位置和原因。

4 实施效益

光伏节能系统成功应用于天津某港口码头，一期项目共12 台岸桥设备投入使用。该系统性能稳定，整体运用情况良好，节能效果明显。按照天津波峰电价1.056 9 元/kWh，峰电价0.963 5 元/kWh，平电价0.678 0 元/kWh，光伏发电时间段峰平阶段，经计算，光伏加权电价为0.858 元/kWh，峰谷电价差异为0.555 元/kWh。

1）光伏发电收益 平均每年发电量约为28.61 万kWh，由于港口机械用电量大，光伏容量小，自我消纳能力可评估为100%完全消纳，每年可获取收益24.55万元。

2）储能峰谷价差收益 每天储能系统削峰填谷，一充一放电量为25 kWh，按储能系统95%损耗，1 a 为300 个充放周期，每年获得峰谷价差收益4.56 万元。

如光伏节能系统能够在港口更多设备上使用，长期收益会更加突出。另外，该项目作为光储节能系统在港口设备上的新能源示范应用，具有广泛的展示意义。

5 结论与展望

通过在其机器房顶部建设分布式光伏/光储发电系统，采用自发自用、余电并网的智慧节能模式，实现光伏节能系统在岸桥上的成功应用，是港口新能源应用的重大突破。光伏节能系统具有绿色环保、安全可靠、适应性强、长期收益、可再生性和维护成本低等优点，该系统的成功实施，不仅能够加快港口能源低碳化转型步伐，而且对我国光伏节能事业的发展推广有着重要意义。