隋剛

（ 上海寶準電源科技有限公司，上海 200233 ）

0 引言

大型船舶停靠港口期間，用電設備通常需要保持不間斷工作。以集裝箱船舶?？繛槔?，除照明、空調等生活必須設施外，大量用電負荷如冷藏設備、壓艙泵等都需要持續(xù)的電力供應，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，以驅動船載發(fā)電機維持必要電力供應，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，船舶停靠期間，利用岸側公用電網(wǎng)替代船載發(fā)電機維持電力供應，采用大功率電力變換裝置通過變頻、變壓等方式，實現(xiàn)供電制式的轉換，可有效解決岸側公用電網(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政策引導，大型港口紛紛裝備基于大功率變頻技術岸基供電設施。國務院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）具備向船舶供應岸電的能力。新建碼頭同步規(guī)劃、設計、建設岸電設施。截至2019年底，全國已建成港口岸電設施5400多套，覆蓋泊位7000個（含水上服務區(qū)），相關發(fā)展目標的總體完成率高達81%。

岸基供電是針對船、岸邊碼頭等高溫、高濕、高腐蝕性、大負荷沖擊等惡劣使用環(huán)境而特別設計制造的大功率變頻電源設備。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)品認證標準，由50Hz工業(yè)用電轉換為60Hz高質量穩(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；岸側熱，船側冷。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)管部門相應措施僅限于責令限期改造、通報和報告。

分析目前岸電利用率偏低的主要問題，一是碼頭岸電設施建設進展不均衡。上海、山東、遼寧等省份完成《方案》建設任務進度滯后，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施情況報送質量較差。大部分省市尚未開展航運企業(yè)船舶受電設施情況摸底工作，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 儲能設施

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

儲能技術是智能電網(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)的推廣應用是大勢所趨，但需要看到的是，岸電系統(tǒng)以沖擊性負荷為主，供配電網(wǎng)絡利用率低。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、龍門吊等機械設備均為沖擊性負荷，電網(wǎng)電壓波動、閃變現(xiàn)象時有發(fā)生，電能質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 電氣結構

岸基供電設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。岸基供電設施典型結構見圖1，岸電儲能一體化系統(tǒng)結構見圖2。

圖1 岸基供電設施典型結構

圖2 岸電儲能一體化系統(tǒng)結構

另一方面，當岸基供電設施的公用供電電網(wǎng)出現(xiàn)意外故障時，岸電設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，船側突然全面失電問題。儲能設施應急向船側供電見圖3。

圖3 儲能設施應急向船側供電

3.2 設備利用率

由于岸基供電系統(tǒng)中負荷的短期性，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備，通過“削峰填谷”效應，對電網(wǎng)及港口負荷用電能量實現(xiàn)綜合調配，可顯著提高設備利用率，同時降低港口設備用電費用。

3.3 供電可靠性

如圖3所示，當岸側的公用電網(wǎng)失電時，儲能單元通過岸電設施的逆變單元，具有向船側維持供電能力，提高了岸電設施的供電可靠性，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，便于船側及時啟動船載發(fā)電機，轉換為船側自主供電方式，避免由于突然失電造成船側設備故障。

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

4 實際應用

岸電儲能一體化供電系統(tǒng)，從系統(tǒng)硬件結構分析，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儲能單元構成一體化系統(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)構建。

基于該結構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，一次性通過了模擬負荷試驗和連船供電試驗。

4.1 系統(tǒng)結構

系統(tǒng)由3套獨立的一體化供電系統(tǒng)構成，單套設計容量3000kVA，總設計容量達到9000kVA，系統(tǒng)采用上海寶準電源科技有限公司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)總體結構見圖4。

圖4 3×3000kVA岸電儲能一體化供電系統(tǒng)

儲能側通過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配，實現(xiàn)“峰谷獲利”，降低港口用電成本；由于儲能設施的接入，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 設計建造

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

5 結語

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、應用的積極性是目前國內岸電技術領域普遍存在的現(xiàn)實問題。從能源綜合應用角度出發(fā)將新能源與岸電相結合，不僅可以提高岸電設備的綜合應用效率，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，利于環(huán)境治理的同時通過新能源技術降低港口現(xiàn)有設施的用電成本，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，降低岸電的電力設施投資成本。