港口岸电系统综合利用研究

2023-09-02邵国帅赵艺婷

通信电源技术 2023年14期

邵国帅，赵艺婷

（国家电力投资集团国核电力规划设计研究院有限公司，北京 100095）

0 引言

随着能源需求的逐年增长，不可再生能源越来越难以满足发展需要。而交通运输属于高耗能、高排放行业，交通领域用能方式的改变，将极大地促进全社会能源结构调整，助力中国“3060”目标的实现。因此，文章提出将储能和换电重型卡车（以下简称重卡）接入岸电系统，将该系统扩展成交直流微电网系统，实现了岸电系统的综合利用。用电高峰时段采用储能供电，用电低谷时段采用电网供电，利用电价差，进一步降低用电成本，从而提高岸电利用率。

1 现状分析

1.1 港口岸电系统现状

岸电接入率偏低的主要原因是使用成本高。岸基供电设施的供电电源主要是地方电网，实际的供电成本不仅包括地方电网的电价，还包括系统损耗、设备折旧、人工费用等。如果船舶不采用岸电系统供电，那么耗能成本约为0.7 元/（kW·h）；如果采用岸电系统，那么成本将达到1.0 元/（kW·h），发生价格倒挂现象，进而影响港口船舶的接电意愿。该背景下，隋刚提出的岸电储能一体化系统，对港口电网的电能质量提升和安全运行具有一定帮助[1]。

1.2 港口储能设施现状

目前，储能设施尚未大规模应用于国内港口，原因在于老旧港口没有足够的电气通道预留，并且储能布置位置可能影响货物存放，港口企业建设储能的意愿较低[2]。针对港口储能的相关研究中，超级电容储能和电化学储能均有被提及。随着港口规模的扩大，用电成本不断增加，电价峰谷价差引起的降本增效也越来越明显。该背景下，企业加大了对港口储能设施的投资力度[3,4]。

1.3 港口换电重卡使用现状

目前，国内大部分港区集装箱转运采用柴油动力重卡的方式运输，属于高耗能、高排放的运输工具，会严重污染港区。与柴油动力重卡相比，换电重卡在效率、成本、安全以及环保等多个方面均具有很大的优势，具体如下：一是高效，能在6 min 内进行高效能量补给；二是降本，车辆价格与燃油车相当；三是灵活，可通过更换电池包，满足不同工况需要，提升电池资产的有效利用率；四是安全，集中管理维护充电设施，充电安全。

2 岸电+储能+换电重卡方案的可行性分析

经过分析整理岸电、储能以及换电重卡的电气接线方案，通过假定某一港口场景的输入条件，论证方案的可行性。

2.1 某港口场景输入条件

某供电公司以岸电专线的方式提供电源，负荷为3 MVA，专线电压为10 kV，供电泊位数为3 位，平均每个泊位需求负荷为1 MVA。配置储能电池容量为2 MW·h（0.5 C 充放电倍率），若采用0.25 C充电倍率，则可配置4 MW·h 的储能电池系统。

建设8 工位重卡自动换电站，充电功率为8×300 kW，双路400 A（可选配扩展直流枪），适配电池容量为281.92 kW·h 和140.96 kW·h。

2.2 岸电接线方式选择

不同设计方案具体适用场景如下。

（1）高低高型船舶岸基供电系统设计方案（一对一型）。该方案适用于船舶吨位较大，供电容量较大的情况，一般为3 MVA。无直流母线，可预留直流接入接口。高压或低压上船均可变频，要求带电连船的工况。

（2）高低高型船舶岸基供电系统设计方案（一对多型）。该方案适用于船舶吨位较小，多个泊位供电容量总和为3 MVA 左右的工况。有直流母线，可预留直流接入接口。高压或低压上船均可变频，要求带电连船的工况。

（3）高高型船舶岸基供电系统设计方案。该方案适用于船舶吨位较大，供电容量较大的情况，一般不小于5 MVA，无直流母线，可预留直流接入接口。要求变频、高压或低压上船均可的工况。

（4）低压工频船舶岸基供电系统设计方案。该方案适用于船舶吨位较小，供电容量较小的情况，一般不大于0.5 MVA。不要求带电连船和低压上船的工况。

经过比较，文章选用高低高型船舶岸基供电系统设计方案（一对多型）较为合理，如图1 所示。

图1 高低高型船舶岸基供电系统设计方案

该系统的优点是采用国际领先的绝缘栅双极型晶体管（Insulated Gate Bipolar Transistor，IGBT）整流逆变技术，实现对50 ～60 Hz 不同频率船舶供电。采用“1 对3”的创新设计理念，即1 套整流对应3套逆变装置，从而节省资金。预留直流母线作为储能接入的接口，为港口综合智慧能源的发展提供先决条件。

2.3 岸电+储能+换电重卡组合方案设想

文章将储能和换电重卡接入岸电系统，改进交直流微电网系统功能，实现负荷高可靠供给和港口岸电系统的综合利用。

根据图1 的岸电接线方案，选择直流母线作为系统的核心节点，将储能装置及换电重卡通过直流/直流（Direct Current/Direct Current，DC/DC）转换接入直流母线，通过直流母线给各个装置供电。该方案中，不同场景的供电模式如下。

供电模式1：负荷低谷时，利用便宜的市电给储能、换电重卡以及船舶供电。负荷低谷时的供电模式如图2 所示。

图2 负荷低谷时供电模式

供电模式2：负荷高峰时，利用储能给换电重卡电池和船舶供电。负荷高峰时的供电模式如图3所示。

图3 负荷高峰时的供电模式

供电模式3：岸电闲置且储能无电能储备时，利用市电给储能和换电重卡供电。岸电闲置时的供电模式如图4 所示。

图4 岸电闲置时的供电模式

3 效益分析

3.1 峰谷电价分析

该方案的核心是在用电高峰时段采用储能供电，用电低谷时段采用电网供电，利用电价差进一步降低用电成本，提高岸电利用率。

港口电价由基本电价和电度电价2 部分组成。基本电费按港口的最大负荷计算，电度电价按港口每月用电量计算。电价计算时需要考虑峰谷分时电价，根据用电情况将每天的用电时段划分为高峰、平段、低谷等多个时段，对不同时段制定不同的电价，以鼓励港口尽可能合理地安排用电时间。例如，张晓晴考虑了用电设备在容量配置大小与运行方式之间的作用关系，进而实现最优配置[5]。

3.2 储能经济性分析

峰谷电价差异较大，适合利用储能充放电方式降低电价。详细经济性测算基本参数如下：维护费用为3 万元/年；年工作天数为365 d；储能系统预期寿命为15 年；储能系统充放电方法为一充一放，日均充放电次数为1 次；等效衰减率为1.46%，循环5 000 次至生命周期终止（End of Life，EoL）的80%；储能系统效率为85%；储能系统节约配电容量为500 kW。

3.3 换电重卡经济性分析

以4×2 换电牵引车为例，配备CATL141 kW·h动力电池。业务模式为用车方采购无动力车身，并租赁电池使用。单车日均行驶里程为100 km，综合能耗为1.4 （kW·h）/km，年运行300 d。换电价格按照0.8 元/（kW·h）估算，充电服务费按0.8 元/（kW·h）估算，合计为1.6 元/（kW·h）。燃油重卡与换电重卡的成本对比分析如表1 所示。

表1 燃油重卡换电重卡成本对比分析

统筹考虑能耗经济性、车辆购置成本以及使用成本，5 年每辆换电重卡合计节约5 万元，节约总比例达6%，同时降低了对港口的空气污染。

3.4 环境效益

船舶岸电主要采用相对清洁的电能，使用清洁能源符合新一轮经济增长模式，并且在节能减排方面比使用重油作为燃料更具优势。使用岸电供电设施能够明显改善港口周边地区的生态环境，推动绿色港口建设。实现重卡电动化将带来巨大的节能减排效益和用电需求。电动重卡“零排放”，4 项污染物（一氧化碳、碳氢化合物、氮氧化物、颗粒物）排放可减少144万t/年。假设采用100 万辆换电重卡参与运输，其颗粒物排放量相当于3 亿辆燃油车，年消耗电量为2 880 亿kW·h。