新能源接入港口岸电系统设计与仿真

叶峻涵，杨 平，屈 博，李思洁，于耀宗，刘 畅，肖宇华

（1.西南交通大学 电气工程学院，四川 成都 610031；2.西南交通大学唐山研究院，山东 唐山 063000；3.中国电力科学研究院有限公司用电与能效研究所，北京 100192；4.国网江苏省电力有限公司市场部，江苏 南京 210000）

0 引 言

近年来，随着中国港口航运事业的高速发展，海上货运船舶流量极速增长，靠港船舶对于岸电需求也大幅增加[1]。船舶靠港期间使用船载柴油发电机供能会给港口带来严重的环境污染，而使用岸电替代柴油发电机能够满足靠港船舶供电需求，已是目前绿色低碳港口建设的重要措施。

港口再生资源丰富，拥有太阳能、风能、潮汐能和波浪能等可再生新能源。目前已有国内外港口开展了新能源消纳项目，文献[2]指出德国汉堡港于2017 年安装27 台风电机组，并网容量为40 MW，用于输入公共电网。文献[3]中指出鹿特丹港利用仓库顶铺设光伏板，利用光伏系统给厂区供电。文献[4]指出新加坡裕廊海港港利用太阳能发电，向公共电网和厂区分别供电。文献[5]指出江苏江阴港安装分布式风电机组9 台，总装机容量为21.5 MW，向码头和公共电网供电。文献[6]指出大连港光伏发电站装机总容量为2 MW，向港口和公共电网供电。港口新能源资源丰富，其中风能与太阳能为主要新能源消纳对象，大多数港口采用“自发自用，余电上网”的新能源消纳方式。

港口岸电系统可以有效减少港口炭氮氧化物排放，岸电来自市电电网，若将港口新能源接入岸电系统就地消纳，不仅节约岸电运营成本，还能达到节能减排、建设绿色港口的目标。目前已有学者对新能源岸电系统进行了一定研究。文献[7]研究了一种混合储能岸电系统的电力负荷预测、储能容量配置和优化运营方案，但未对具体的岸电系统进行建模。文献[8]研究了一种基于模型预测控制的混合能源岸电系统优化运营方法，使用功率数学模型进行系统建模。文献[9]基于分时电价机制，提出了一种考虑岸电系统经济性与可再生能源消纳率的多源融合船岸系统协调运行优化策略。文献[10]基于风光储多源接入岸电系统，提出新能源岸电交流微网系统，实现了孤岛和并网的微网控制策略。

综上所述，目前新能源接入岸电相关研究还不够完善，主要集中在港口运营优化相关内容，在新能源接入岸电系统设计上研究较少。因此，本文研究设计了一种适用于新能源接入的直流微网式岸电系统，通过建模和仿真，能够实现孤岛和并网两种新能源岸电系统运行模式，并提出了不同运行模式下的控制策略。

1 新能源接入港口岸电系统仿真模型

1.1 新能源港口岸电系统整体架构

新能源岸电系统为靠港船舶提供电能，其主要由市电供电系统、储能系统及光伏、风力等新能源供电系统组成[10]。由于大部分港口新能源资源主要为陆上太阳能和海上风能，并且二者是利用率最大的新能源，因此本文只考虑光伏和风力作为新能源岸电系统中绿色能源输入，建立“风-光-储”一体的新能源港口岸电仿真模型。

本文所提新能源岸电系统整体架构如图1 所示。该系统包括电压源型港口岸侧变电站、码头变电站、公共连接点、光伏发电系统、风力发电系统、混合储能系统等。伏发电系统、风电发电系统与储能系统并联在市电经港口岸侧变电站输出的直流母线公共接线端（PCC），直流母线传输电能至码头，经码头侧变电站输出60 Hz/50 Hz 电能给靠港船舶供电，通过控制系统实现能量全局流通。

图1 新能源岸电系统整体架构图

1.2 光伏发电系统建模

光伏发电系统整体架构如图2 所示，主要包括光伏阵列、直流汇流箱和MPPT 控制器，通过对光伏阵列和MPPT 控制器建模分析光伏发电系统原理。

图2 光伏发电系统整体架构

1.2.1 光伏阵列模型

本文采用文献[11]提到的实际工程所用数学模型，即：

式中：I为光伏电池输出电流；Isc为光伏电池短路电流；Voc为光伏电池开路电压；Im与Vm分别为光伏电池在参考太阳辐射强度和参考电池温度下最大输出功率时的电流和电压。该模型仅需太阳能电池供应商提供Isc、Voc、Im和Vm，就能以一定精度复现太阳能电池的输出特性，再将光伏电池模型通过串并联方式连接就能得到光伏阵列模型。

1.2.2 MPPT 控制器

光伏阵列的最大输出功率跟踪是通过电力电子变换器实现的，目前用于实现MPPT 算法的DC/DC 变换器主要有Boost、Buck 和Boost-Buck 电路，其中Boost 电路具有输入电流连续、结构简单、电压转换比大于1 等优点，是使用率最高的MPPT 拓扑。本文以Boost 电路为例，介绍其原理。

光伏电池简化电路如图3 所示。Ui为光伏电池输出电压，Ri为光伏电池内阻，Ro为负载电阻，负载电阻消耗功率为：

图3 光伏电池简化图

对Ro求导可得：

当Ro=Ri时取得最大值，即当光伏电池内阻与负载电阻相等时，Po取得最大值。

Boost 变换器电压转换比为M（D）=1 /( 1-D)。其中，D为开关器件PWM 控制信号占空比，0

由式（3）和式（4）可知，可通过调整Boost 变换器占空比D，使得光伏阵列内阻与负载电阻相等，即Ri=Ro=R′i，此时光伏阵列实现最大功率输出。光伏发电系统控制框图如图4 所示。

图4 光伏发电系统控制框图

1.2.3 MPPT 算法

常用的最大功率跟踪方法有恒定电压跟踪法、扰动观察法、电导增量法[12]。扰动观察法是工程上常用的MPPT 智能算法，具有操作简单、容易实现、跟踪速度相对较快等优点。本文采用扰动观察法进行最大功率跟踪，其控制流程如图5所示。首先，在某时刻采集光伏输出电压电流计算出即时功率，并与上个时刻即时功率比较。若即时功率增大，则比较该时刻与上一时刻光伏输出电压大小，电压增大就减小控制器占空比，反之则增大控制器占空比。即时功率减小时情况类似，不再赘述。直到即时功率不变，此时为光伏系统输出最大功率。

图5 扰动观察法流程

1.3 风力发电系统建模

风力发电系统整体架构如图6 所示，主要包括直驱式永磁同步风力发电机和MPPT 控制器。

图6 风力发电系统整体架构

直驱式永磁同步风力发电机主要包含风轮桨叶和发电机两部分，桨叶将风能转变成机械能，发电机将所产生的机械能转变成电能。

1.3.1 风力机工作特性

由风力机能量转换理论与Betz 理论[13]可得风力机输出机械转矩Tm为：

风能利用系数Cp和λ的表达式为：

式中：ρ为空气密度；R为风轮半径；v为上游风速；P为风力机实际获得的轴功率；ω为风轮角频率；β为桨距角。

1.3.2 MPPT 控制器

直驱式永磁同步风力发电机输出为三相交流电，因此MPPT 控制器有两种形式：第一种为三相不控整流桥与Boost 变换器结合，与光伏发电类似，通过控制Boost变换器占空比来达到风机最大功率输出的目的；第二种为三相全控电压型整流桥，为单级式结构，具有更高的可靠性。因此本文采用三相全控电压型整流桥作为MPPT 控制器，控制框图如图7 所示。MPPT 控制算法同样采用扰动观察法。

图7 风力发电系统控制框图

1.4 储能系统建模

储能单元类型一般有化学储能、物理储能、电磁储能和相变储能，目前应用广泛的是化学储能，包含锂电池、铅酸电池和氢/甲醇燃料电池等，是能量型储能单元，具有容量大、响应速度较快的特性。本文选择蓄电池作为储能元件，通过双向DC/DC 变换器连接至PCC，如图8 所示。

图8 储能系统整体架构

1.4.1 双向DC/DC 变换器

双向DC/DC 变换器采用Buck-Boost 变换器，该变换器结构简单，控制容易，在低压领域应用广泛[14]。储能系统控制框图如图9 所示，电压外环为PCC 电压，目的是保持直流母线电压稳定；电流内环限制蓄电池充放电速度。开关管控制策略采用同步整流控制方式，能有效降低损耗，提高效率。

图9 储能系统控制框图

1.4.2 岸电系统建模

岸电系统包含港口岸侧变电站和码头变电站，通过两个电压源型桥式电路构成“背靠背”岸电系统。整流器采用恒压双环控制，逆变器采用恒频恒压双环控制。以码头变电站三相逆变变换器为例，其控制图如图10所示。

图10 码头变电站三相逆变变换器控制框图

光伏系统约束条件为Ppv_min

风电系统约束条件为Pwt_min

蓄电池约束条件为：

式中：SOCb为蓄电池SOC，式（7）定义为储能系统的安全工作区；Pb_min为蓄电池允许输出的最小功率；Pb_pre为预测数据。

2 新能源岸电系统能量调控策略

新能源岸电系统具有新能源孤岛供能和并网供能能力，通过合理调控策略，可使得新能源最大消纳。本文基于直流式新能源岸电系统提出一种能量调控策略。

2.1 约束条件

对光伏系统输出功率、风电系统输出功率、储能系统SOC 和功率、船舶负荷功率进行测量，并进行数据预测，预测数据用于为下一个系统周期宏观调控提供参考和指令。通过通信系统协调控制各子系统，使得该岸电系统功率流动满足：

式中：Pb为蓄电池输出功率；Ppv为光伏系统输出功率；Pwt为风电系统输出功率；Pgrid为电网输出功率；Pship为船舶负荷功率。

2.2 孤岛模式

新能源岸电系统孤岛模式指在市电电源不参加岸电供能情况下，新能源系统与储能系统相互协调配合，参与岸电供能。孤岛模式下市电输出为0，即Pgrid=0，其能量调控策略框图如图11 所示。

图11 孤岛模式能量调控策略框图

首先对各个系统功率进行测量和预测；然后判断光伏系统和风力发电系统输出功率能否满足船舶负载功率。若满足条件并且蓄电池SOC 未达上限，新能源系统给船舶供电并且余电给储能系统供电；若不满足条件但蓄电池SOC 未达下限，此时若满足新能源和储能功率大于船舶负载功率，则新能源系统与储能系统共同给船舶供电，其余条件下，切换至并网模式。

2.3 并网模式

新能源岸电系统并网模式指在市电电源参加岸电供能情况下，市电系统与新能源系统和储能系统相互协调配合，参与岸电供能。

并网模式下市电输出不为0，即Pgrid≥0，其能量调控策略框图如图12 所示。首先对各个系统功率进行测量和预测，然后判断光伏系统和风力发电系统输出功率能否满足船舶负载功率。若满足条件并且蓄电池SOC 未达上限，新能源系统和市电系统同时给船舶供电，余电向储能系统充电，若蓄电池SOC 已达上限，则新能源系统给船舶供电，余电流向公共电网；若不满足条件，新能源和市电系统同时给船舶供电。

图12 并网模式能量调控策略框图

3 新能源岸电系统能量调控仿真与分析

3.1 系统基本参数

本文建立的直流母线式新能源岸电系统的主要参数如表1 所示。

表1 新能源岸电系统主要参数

船舶负载主要为阻感性负载，本文采用功率因数为0.8 的负载作为仿真船舶负荷。

3.2 孤岛模式仿真下调控

孤岛模式下，新能源岸电系统主要由光伏系统、风电系统和储能系统协调配合，满足船舶供电需求。

首先经过启动阶段，在0.1 s 时系统达到稳定，光伏系统输出为10 kVA，风机系统输出为30 kVA，蓄电池吸收为8 kVA，满足船舶负载功率需求；0.15 s 时改变光照度，光伏系统输出功率减少，风机维持输出功率不变，蓄电池吸收功率减少，满足船舶负载功率需求；0.3 s 突增负载，此时光伏系统与风机系统输出总功率小于负载需求功率，储能系统从充电转换成放电状态；0.4 s 突减负载，新能源系统输出总功率不变，储能系统输出功率减小，直流母线电压一直维持800 V。孤岛模式功率流动图如图13 所示。

图13 孤岛模式功率流动图

负载A 相电压电流波形如图14 所示，由图可知，电压与电流存在相位差。

图14 孤岛模式下负载A 相电压电流波形

图15 为孤岛模式直流母线电压，图16 为孤岛模式直流母线电压关键波形。由图16a）可知，孤岛模式启动时超调量为1.25%，调节时间为0.1 s；由图16b）可知，0.15 s 直流母线电压超调量为0.5%，调节时间为0.05 s；由图16c）可知，0.3 s 直流母线电压超调量为1.75%，调节时间为0.05 s；由图16d）可知，0.4 s 直流母线电压超调量为0.625%，调节时间为0.05 s。负载功率曲线平稳，新能源岸电系统在孤岛模式时具有较快的响应速度和较强的稳定性，具备独立供电能力。

图15 孤岛模式直流母线电压

图16 孤岛模式直流母线电压关键波形

3.3 并网模式仿真下调控

并网模式下，新能源岸电系统由光伏系统、风电系统、市电系统和储能系统协调配合，满足船舶供电需求。

图17 为储能系统不工作时新能源岸电系统并网模式功率流动图。由图17 可知：0.1 s 时系统从启动到稳态，风机输出30 kW，光伏输出11 kW，负载功率需求30 kW，市电吸收11 kW，系统多余功率流向市电系统；0.2 s 负载需求增大到60 kW，新能源系统功率输出保持不变，市电系统从吸收工况变为输出工况，输出19 kW，0.25 s 达到平衡状态；0.35 s 光伏输出增加到20 kW，市电系统输出减小到10 kW，0.4 s 时达到平衡。

图17 并网模式功率流动图

图18 为并网模式下负载A 相电压电流波形，电流滞后于电压。

图18 并网模式下负载A 相电压电流波形

负载功率平稳，新能源岸电系统在并网模式下具有较快的响应速度与较强的稳定性，实现了余电上网的功能，能够最大程度满足新能源消纳。

4 结 语

以新能源接入港口岸电系统为应用背景，本文提出一种直流微网式新能源岸电系统设计，首先分别建立了光伏发电系统、风力发电系统、市电系统和储能系统的仿真模型，并阐述了各系统控制原理和方法；在此基础上提出了一种新能源最大消纳的能量调控策略，并通过仿真验证了其功能。与传统交流式新能源相比，所提系统具有以下优点：

1）在并联PCC 时无需考虑相位、频率等交流式微电网问题，仅需满足电压幅值一致与阻抗匹配即可。

2）能适用于各电压、功率等级下的港口岸电，与传统岸电系统相比，可减少变压器的使用，节约建设成本。

3）提出的能量调控策略能够最大程度满足新能源的消纳，提高新能源接入比例，并使系统具有较强的动静态特性，满足船舶负载突变特性要求。

由于篇幅限制，本文提出的新能源岸电系统功能没有完全展示，但其具有一定的工程应用意义，能给研究新能源接入港口岸电系统的学者提供一定基础和思路。