港口岸電系統(tǒng)綜合利用研究

邵國帥，趙藝婷

（國家電力投資集團(tuán)國核電力規(guī)劃設(shè)計研究院有限公司，北京 100095）

0 引 言

隨著能源需求的逐年增長，不可再生能源越來越難以滿足發(fā)展需要。而交通運輸屬于高耗能、高排放行業(yè)，交通領(lǐng)域用能方式的改變，將極大地促進(jìn)全社會能源結(jié)構(gòu)調(diào)整，助力中國“3060”目標(biāo)的實現(xiàn)。因此，文章提出將儲能和換電重型卡車（以下簡稱重卡）接入岸電系統(tǒng)，將該系統(tǒng)擴(kuò)展成交直流微電網(wǎng)系統(tǒng)，實現(xiàn)了岸電系統(tǒng)的綜合利用。用電高峰時段采用儲能供電，用電低谷時段采用電網(wǎng)供電，利用電價差，進(jìn)一步降低用電成本，從而提高岸電利用率。

1 現(xiàn)狀分析

1.1 港口岸電系統(tǒng)現(xiàn)狀

岸電接入率偏低的主要原因是使用成本高。岸基供電設(shè)施的供電電源主要是地方電網(wǎng)，實際的供電成本不僅包括地方電網(wǎng)的電價，還包括系統(tǒng)損耗、設(shè)備折舊、人工費用等。如果船舶不采用岸電系統(tǒng)供電，那么耗能成本約為0.7 元/（kW·h）；如果采用岸電系統(tǒng)，那么成本將達(dá)到1.0 元/（kW·h），發(fā)生價格倒掛現(xiàn)象，進(jìn)而影響港口船舶的接電意愿。該背景下，隋剛提出的岸電儲能一體化系統(tǒng)，對港口電網(wǎng)的電能質(zhì)量提升和安全運行具有一定幫助[1]。

1.2 港口儲能設(shè)施現(xiàn)狀

目前，儲能設(shè)施尚未大規(guī)模應(yīng)用于國內(nèi)港口，原因在于老舊港口沒有足夠的電氣通道預(yù)留，并且儲能布置位置可能影響貨物存放，港口企業(yè)建設(shè)儲能的意愿較低[2]。針對港口儲能的相關(guān)研究中，超級電容儲能和電化學(xué)儲能均有被提及。隨著港口規(guī)模的擴(kuò)大，用電成本不斷增加，電價峰谷價差引起的降本增效也越來越明顯。該背景下，企業(yè)加大了對港口儲能設(shè)施的投資力度[3,4]。

1.3 港口換電重卡使用現(xiàn)狀

目前，國內(nèi)大部分港區(qū)集裝箱轉(zhuǎn)運采用柴油動力重卡的方式運輸，屬于高耗能、高排放的運輸工具，會嚴(yán)重污染港區(qū)。與柴油動力重卡相比，換電重卡在效率、成本、安全以及環(huán)保等多個方面均具有很大的優(yōu)勢，具體如下：一是高效，能在6 min 內(nèi)進(jìn)行高效能量補(bǔ)給；二是降本，車輛價格與燃油車相當(dāng)；三是靈活，可通過更換電池包，滿足不同工況需要，提升電池資產(chǎn)的有效利用率；四是安全，集中管理維護(hù)充電設(shè)施，充電安全。

2 岸電+儲能+換電重卡方案的可行性分析

經(jīng)過分析整理岸電、儲能以及換電重卡的電氣接線方案，通過假定某一港口場景的輸入條件，論證方案的可行性。

2.1 某港口場景輸入條件

某供電公司以岸電專線的方式提供電源，負(fù)荷為3 MVA，專線電壓為10 kV，供電泊位數(shù)為3 位，平均每個泊位需求負(fù)荷為1 MVA。配置儲能電池容量為2 MW·h（0.5 C 充放電倍率），若采用0.25 C充電倍率，則可配置4 MW·h 的儲能電池系統(tǒng)。

建設(shè)8 工位重卡自動換電站，充電功率為8×300 kW，雙路400 A（可選配擴(kuò)展直流槍），適配電池容量為281.92 kW·h 和140.96 kW·h。

2.2 岸電接線方式選擇

不同設(shè)計方案具體適用場景如下。

（1）高低高型船舶岸基供電系統(tǒng)設(shè)計方案（一對一型）。該方案適用于船舶噸位較大，供電容量較大的情況，一般為3 MVA。無直流母線，可預(yù)留直流接入接口。高壓或低壓上船均可變頻，要求帶電連船的工況。

（2）高低高型船舶岸基供電系統(tǒng)設(shè)計方案（一對多型）。該方案適用于船舶噸位較小，多個泊位供電容量總和為3 MVA 左右的工況。有直流母線，可預(yù)留直流接入接口。高壓或低壓上船均可變頻，要求帶電連船的工況。

（3）高高型船舶岸基供電系統(tǒng)設(shè)計方案。該方案適用于船舶噸位較大，供電容量較大的情況，一般不小于5 MVA，無直流母線，可預(yù)留直流接入接口。要求變頻、高壓或低壓上船均可的工況。

（4）低壓工頻船舶岸基供電系統(tǒng)設(shè)計方案。該方案適用于船舶噸位較小，供電容量較小的情況，一般不大于0.5 MVA。不要求帶電連船和低壓上船的工況。

經(jīng)過比較，文章選用高低高型船舶岸基供電系統(tǒng)設(shè)計方案（一對多型）較為合理，如圖1 所示。

圖1 高低高型船舶岸基供電系統(tǒng)設(shè)計方案

該系統(tǒng)的優(yōu)點是采用國際領(lǐng)先的絕緣柵雙極型晶體管（Insulated Gate Bipolar Transistor，IGBT）整流逆變技術(shù)，實現(xiàn)對50 ～60 Hz 不同頻率船舶供電。采用“1 對3”的創(chuàng)新設(shè)計理念，即1 套整流對應(yīng)3套逆變裝置，從而節(jié)省資金。預(yù)留直流母線作為儲能接入的接口，為港口綜合智慧能源的發(fā)展提供先決條件。

2.3 岸電+儲能+換電重卡組合方案設(shè)想

文章將儲能和換電重卡接入岸電系統(tǒng)，改進(jìn)交直流微電網(wǎng)系統(tǒng)功能，實現(xiàn)負(fù)荷高可靠供給和港口岸電系統(tǒng)的綜合利用。

根據(jù)圖1 的岸電接線方案，選擇直流母線作為系統(tǒng)的核心節(jié)點，將儲能裝置及換電重卡通過直流/直流（Direct Current/Direct Current，DC/DC）轉(zhuǎn)換接入直流母線，通過直流母線給各個裝置供電。該方案中，不同場景的供電模式如下。

供電模式1：負(fù)荷低谷時，利用便宜的市電給儲能、換電重卡以及船舶供電。負(fù)荷低谷時的供電模式如圖2 所示。

圖2 負(fù)荷低谷時供電模式

供電模式2：負(fù)荷高峰時，利用儲能給換電重卡電池和船舶供電。負(fù)荷高峰時的供電模式如圖3所示。

圖3 負(fù)荷高峰時的供電模式

供電模式3：岸電閑置且儲能無電能儲備時，利用市電給儲能和換電重卡供電。岸電閑置時的供電模式如圖4 所示。

圖4 岸電閑置時的供電模式

3 效益分析

3.1 峰谷電價分析

該方案的核心是在用電高峰時段采用儲能供電，用電低谷時段采用電網(wǎng)供電，利用電價差進(jìn)一步降低用電成本，提高岸電利用率。

港口電價由基本電價和電度電價2 部分組成。基本電費按港口的最大負(fù)荷計算，電度電價按港口每月用電量計算。電價計算時需要考慮峰谷分時電價，根據(jù)用電情況將每天的用電時段劃分為高峰、平段、低谷等多個時段，對不同時段制定不同的電價，以鼓勵港口盡可能合理地安排用電時間。例如，張曉晴考慮了用電設(shè)備在容量配置大小與運行方式之間的作用關(guān)系，進(jìn)而實現(xiàn)最優(yōu)配置[5]。

3.2 儲能經(jīng)濟(jì)性分析

峰谷電價差異較大，適合利用儲能充放電方式降低電價。詳細(xì)經(jīng)濟(jì)性測算基本參數(shù)如下：維護(hù)費用為3 萬元/年；年工作天數(shù)為365 d；儲能系統(tǒng)預(yù)期壽命為15 年；儲能系統(tǒng)充放電方法為一充一放，日均充放電次數(shù)為1 次；等效衰減率為1.46%，循環(huán)5 000 次至生命周期終止（End of Life，EoL）的80%；儲能系統(tǒng)效率為85%；儲能系統(tǒng)節(jié)約配電容量為500 kW。

3.3 換電重卡經(jīng)濟(jì)性分析

以4×2 換電牽引車為例，配備CATL141 kW·h動力電池。業(yè)務(wù)模式為用車方采購無動力車身，并租賃電池使用。單車日均行駛里程為100 km，綜合能耗為1.4 （kW·h）/km，年運行300 d。換電價格按照0.8 元/（kW·h）估算，充電服務(wù)費按0.8 元/（kW·h）估算，合計為1.6 元/（kW·h）。燃油重卡與換電重卡的成本對比分析如表1 所示。

表1 燃油重卡換電重卡成本對比分析

統(tǒng)籌考慮能耗經(jīng)濟(jì)性、車輛購置成本以及使用成本，5 年每輛換電重卡合計節(jié)約5 萬元，節(jié)約總比例達(dá)6%，同時降低了對港口的空氣污染。

3.4 環(huán)境效益

船舶岸電主要采用相對清潔的電能，使用清潔能源符合新一輪經(jīng)濟(jì)增長模式，并且在節(jié)能減排方面比使用重油作為燃料更具優(yōu)勢。使用岸電供電設(shè)施能夠明顯改善港口周邊地區(qū)的生態(tài)環(huán)境，推動綠色港口建設(shè)。實現(xiàn)重卡電動化將帶來巨大的節(jié)能減排效益和用電需求。電動重卡“零排放”，4 項污染物（一氧化碳、碳?xì)浠衔?、氮氧化物、顆粒物）排放可減少144萬t/年。假設(shè)采用100 萬輛換電重卡參與運輸，其顆粒物排放量相當(dāng)于3 億輛燃油車，年消耗電量為2 880 億kW·h。

3.5 社會效益

將電能替代重油，能夠減少對環(huán)境的污染，實現(xiàn)節(jié)能減排的目標(biāo)，同時消除了柴油機(jī)噪聲對船舶人員的影響，對改善船舶工作環(huán)境具有重要作用，將產(chǎn)生良好的社會效益。

4 結(jié) 論

文章將儲能和換電重卡接入岸電系統(tǒng)，該岸電系統(tǒng)后期可以建設(shè)成交直流微電網(wǎng)系統(tǒng)，擴(kuò)展為分布式能源儲充一體充電站，全面提升岸電系統(tǒng)的使用價值，實現(xiàn)港口船舶智慧供電和綠色生產(chǎn)的目標(biāo)。與傳統(tǒng)的儲能系統(tǒng)相比，大大降低了投資成本，經(jīng)濟(jì)效益、環(huán)境效益以及社會效益顯著。