電化學(xué)儲能設(shè)施在岸基供電領(lǐng)域的綜合應(yīng)用

隋剛

（ 上海寶準(zhǔn)電源科技有限公司，上海 200233 ）

0 引言

大型船舶?？扛劭谄陂g，用電設(shè)備通常需要保持不間斷工作。以集裝箱船舶停靠為例，除照明、空調(diào)等生活必須設(shè)施外，大量用電負(fù)荷如冷藏設(shè)備、壓艙泵等都需要持續(xù)的電力供應(yīng)，以滿足船舶?？科陂g的生活和作業(yè)要求。?？科陂g至少保持一臺主機運行，以驅(qū)動船載發(fā)電機維持必要電力供應(yīng)，期間船載主機的排放對港口大氣環(huán)境和水環(huán)境產(chǎn)生一定影響。對于大型港口而言，船舶?？科陂g，利用岸側(cè)公用電網(wǎng)替代船載發(fā)電機維持電力供應(yīng)，采用大功率電力變換裝置通過變頻、變壓等方式，實現(xiàn)供電制式的轉(zhuǎn)換，可有效解決岸側(cè)公用電網(wǎng)與船舶電網(wǎng)的匹配問題，從而達到凈化環(huán)境、降低污染效果。

1 概況

近年來，隨著環(huán)保意識的逐漸增強和國家相關(guān)政策引導(dǎo)，大型港口紛紛裝備基于大功率變頻技術(shù)岸基供電設(shè)施。國務(wù)院2018年7月印發(fā)的國發(fā)〔2018〕22號文，《打贏藍天保衛(wèi)戰(zhàn)三年行動計劃》提出，2020年底前，沿海主要港口50%以上專業(yè)化泊位（危險貨物泊位除外）具備向船舶供應(yīng)岸電的能力。新建碼頭同步規(guī)劃、設(shè)計、建設(shè)岸電設(shè)施。截至2019年底，全國已建成港口岸電設(shè)施5400多套，覆蓋泊位7000個（含水上服務(wù)區(qū)），相關(guān)發(fā)展目標(biāo)的總體完成率高達81%。

岸基供電是針對船、岸邊碼頭等高溫、高濕、高腐蝕性、大負(fù)荷沖擊等惡劣使用環(huán)境而特別設(shè)計制造的大功率變頻電源設(shè)備。所有PCB電路板采用涂層固化處理；正弦濾波器、輸出變壓器采用整體真空浸漬絕緣漆和噴涂高溫防護漆處理，具有較高的絕緣級別和防護能力，符合中國船級社CCS船用產(chǎn)品認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)，由50Hz工業(yè)用電轉(zhuǎn)換為60Hz高質(zhì)量穩(wěn)頻穩(wěn)壓電源。

2 現(xiàn)狀分析

2.1 岸基供電系統(tǒng)

岸電發(fā)展長期“一頭熱一頭冷”，即岸電公司熱、碼頭方冷；岸側(cè)熱，船側(cè)冷。這是由于目前使用岸電并非強制性要求，部分地方對岸電工作重視度不夠。船方可因改造成本、靠岸小時數(shù)不足等多種原因選擇其他替代方案；同時，船東也更關(guān)注強制使用低硫油的政策措施。因此，港口岸電使用率偏低。

在部分國外港口，政策要求船舶必須配備岸電設(shè)施才能靠岸，否則將被罰款并繳納環(huán)境污染費。我國《大氣污染防治法》尚未強制要求使用岸電，監(jiān)管部門相應(yīng)措施僅限于責(zé)令限期改造、通報和報告。

分析目前岸電利用率偏低的主要問題，一是碼頭岸電設(shè)施建設(shè)進展不均衡。上海、山東、遼寧等省份完成《方案》建設(shè)任務(wù)進度滯后，汕頭、煙臺、湛江、上海、江門、珠海、秦皇島、揚州港等港口進度滯后；二是具備受電設(shè)施的船舶數(shù)量少，岸電使用率總體仍然較低。主要原因是：出于經(jīng)濟性考慮，船舶改造加裝受電設(shè)施和使用岸電的積極性不高；部分地方對岸電工作重視不夠，相關(guān)配套支持政策力度不足；部分交通運輸（港口）和海事等部門協(xié)同推動船舶加裝受電設(shè)施力度不夠，監(jiān)管執(zhí)法需加強；岸電使用情況和船舶受電設(shè)施情況報送質(zhì)量較差。大部分省市尚未開展航運企業(yè)船舶受電設(shè)施情況摸底工作，岸電使用情況掌握不全面，目前僅有20%岸電泊位報送使用數(shù)據(jù)。

2.2 儲能設(shè)施

電化學(xué)儲能技術(shù)是新能源電力技術(shù)中重要環(huán)節(jié)。高性能用電設(shè)備對電能質(zhì)量要求較高，儲能電源技術(shù)的快速發(fā)展為此類設(shè)備的應(yīng)用起到了鋪墊作用。

儲能技術(shù)是智能電網(wǎng)的重要組成部分，在未來電力系統(tǒng)中扮演越來越重要的角色。儲能電源具有位置靈活、分散的特點，極好地適應(yīng)了分散電力需求和資源分布，延緩了輸配電網(wǎng)升級換代所需的巨額投資；與大電網(wǎng)互為備用，也使供電可靠性得以改善；具有污染少、能源利用效率高的優(yōu)勢[1]。

岸電系統(tǒng)的推廣應(yīng)用是大勢所趨，但需要看到的是，岸電系統(tǒng)以沖擊性負(fù)荷為主，供配電網(wǎng)絡(luò)利用率低。在燃油價格較低時，岸電系統(tǒng)的整體運行經(jīng)濟性優(yōu)勢不明顯。因此，岸電系統(tǒng)的發(fā)展存在一定因素的制約。

開展岸電儲能一體化系統(tǒng)的研發(fā)是必然選擇。在低谷電價時，將電儲存至蓄電池，需用岸電時，再將電能傳輸出去，對電網(wǎng)而言起到“削峰填谷”的作用，同時也降低船舶使用岸電的直接成本。

除降低岸電的使用成本，岸電儲能一體化系統(tǒng)還對港口電網(wǎng)的電能質(zhì)量提升和安全運行具有一定幫助。港口使用的航吊、龍門吊等機械設(shè)備均為沖擊性負(fù)荷，電網(wǎng)電壓波動、閃變現(xiàn)象時有發(fā)生，電能質(zhì)量問題是港口安全可靠用電的潛在危險源。岸電儲能一體化系統(tǒng)中的儲能電站，能夠平抑岸電等尖峰負(fù)荷以及電壓波動、閃變，直接過濾電網(wǎng)‘噪音’。

3 可行性分析

3.1 電氣結(jié)構(gòu)

岸基供電設(shè)施需要滿足不同國籍船舶?？科陂g的供電要求，普遍采用“交——直——交”的變換方式，即通過直流——逆變的變換策略，實現(xiàn)公用電網(wǎng)與船側(cè)電網(wǎng)的頻率匹配。

變換過程中，整流后的直流部分具備接入儲能設(shè)備的先決條件，只需在岸基供電的整流單元中加入“四象限”運行模式，通過“連船供電”和“儲能”兩種模式中配置不同的運行策略，即可將岸基供電設(shè)備中的整流功率單元在連船供電間隙中“變身”為儲能變流單元。岸基供電設(shè)施典型結(jié)構(gòu)見圖1，岸電儲能一體化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見圖2。

圖1 岸基供電設(shè)施典型結(jié)構(gòu)

圖2 岸電儲能一體化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

另一方面，當(dāng)岸基供電設(shè)施的公用供電電網(wǎng)出現(xiàn)意外故障時，岸電設(shè)備中的整流單元失去能量來源。此時，完全可以利用配置在直流母線側(cè)的儲能單元，通過岸電逆變單元向受電船舶繼續(xù)供電，提高岸基供電系統(tǒng)的供電可靠性，避免發(fā)生連船供電期間，船側(cè)突然全面失電問題。儲能設(shè)施應(yīng)急向船側(cè)供電見圖3。

圖3 儲能設(shè)施應(yīng)急向船側(cè)供電

3.2 設(shè)備利用率

由于岸基供電系統(tǒng)中負(fù)荷的短期性，僅僅依靠向船舶供電一個思路，岸基供電系統(tǒng)中的設(shè)備利用率明顯偏低，且由于各方面原因，岸基供電系統(tǒng)收益難以在短時間內(nèi)獲得顯現(xiàn)；在向船舶供電的間隙階段，利用這些電力變換設(shè)備，通過“削峰填谷”效應(yīng)，對電網(wǎng)及港口負(fù)荷用電能量實現(xiàn)綜合調(diào)配，可顯著提高設(shè)備利用率，同時降低港口設(shè)備用電費用。

3.3 供電可靠性

如圖3所示，當(dāng)岸側(cè)的公用電網(wǎng)失電時，儲能單元通過岸電設(shè)施的逆變單元，具有向船側(cè)維持供電能力，提高了岸電設(shè)施的供電可靠性，即便是公用電網(wǎng)發(fā)生故障，仍可維持一定時間的持續(xù)供電，便于船側(cè)及時啟動船載發(fā)電機，轉(zhuǎn)換為船側(cè)自主供電方式，避免由于突然失電造成船側(cè)設(shè)備故障。

技術(shù)層面上，電化學(xué)儲能設(shè)備引入岸基供電系統(tǒng)完全具備可實現(xiàn)的基礎(chǔ)條件。應(yīng)用效益上，提高設(shè)備利用率的同時通過削峰填谷、平抑負(fù)荷波動等效果，港口電網(wǎng)質(zhì)量得到提升，用戶用電成本降低。

4 實際應(yīng)用

岸電儲能一體化供電系統(tǒng)，從系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)分析，只需將原有的整流部分替換為具備“四象限”運行能力的功率變換單元，實現(xiàn)能量的雙向流動，即可通過增加電化學(xué)儲能單元構(gòu)成一體化系統(tǒng)，按照該思路，將整流單元部分采用雙向儲能變流器加以替代，即可完成系統(tǒng)構(gòu)建。

基于該結(jié)構(gòu)的岸電儲能一體化供電系統(tǒng)目前已經(jīng)在海南洋浦港區(qū)完成全部建設(shè)，一次性通過了模擬負(fù)荷試驗和連船供電試驗。

4.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)由3套獨立的一體化供電系統(tǒng)構(gòu)成，單套設(shè)計容量3000kVA，總設(shè)計容量達到9000kVA，系統(tǒng)采用上海寶準(zhǔn)電源科技有限公司BES6000系列儲能變流器為功率變換單元，在直流側(cè)加入儲能單元接口，直接接入儲能電池單元，實現(xiàn)儲能系統(tǒng)的接入，系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)見圖4。

圖4 3×3000kVA岸電儲能一體化供電系統(tǒng)

儲能側(cè)通過10kV母線匯入港口10kV供電系統(tǒng)，岸電非連船供電運行期間，通過對電氣能量的合理調(diào)配，實現(xiàn)“峰谷獲利”，降低港口用電成本；由于儲能設(shè)施的接入，對港口電網(wǎng)起到明顯的“濾波”作用，較大程度降低臨近負(fù)荷的頻繁波動對10kV母線沖擊，使港口10kV系統(tǒng)運行更加平穩(wěn)可靠。

4.2 設(shè)計建造

項目自2019年開始設(shè)計（系統(tǒng)主設(shè)計方為國核電力設(shè)計院），2020年完成設(shè)備安裝調(diào)試，2021年3月完成設(shè)備電氣試驗和模擬負(fù)荷試驗，4月完成連船試驗，獲得中國船級社設(shè)備試驗認(rèn)證證書和設(shè)備連船符合性證書，目前進入試運行階段，從試驗過程獲得參數(shù)判斷，設(shè)備各項指標(biāo)符合設(shè)計要求，滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，為岸基供電設(shè)施的應(yīng)用方案提供了新穎有效的解決方案。

5 結(jié)語

從社會層面來看，岸電是港口城市環(huán)境治理的必要措施，提高對岸電投資、應(yīng)用的積極性是目前國內(nèi)岸電技術(shù)領(lǐng)域普遍存在的現(xiàn)實問題。從能源綜合應(yīng)用角度出發(fā)將新能源與岸電相結(jié)合，不僅可以提高岸電設(shè)備的綜合應(yīng)用效率，降低港口用電成本，同時對港口的現(xiàn)有電網(wǎng)也有明顯改善作用，為岸電發(fā)展打開新的突破口。

從經(jīng)濟層面來看，將新能源技術(shù)引入岸基供電，是解決岸基供電“費用倒掛”問題（岸電運行費用高于售電費用）的有效方案，用戶通過投入岸電建設(shè)，利于環(huán)境治理的同時通過新能源技術(shù)降低港口現(xiàn)有設(shè)施的用電成本，使政府、港口雙方均成為獲利者，進一步推廣岸電在沿海、沿江地帶的良性發(fā)展。另一方面，后期還可考慮因地制宜的引入可再生能源，進一步降低用電成本，在局部電網(wǎng)薄弱點上，降低岸電的電力設(shè)施投資成本。