目前，我國多數(shù)集裝箱碼頭已完成場橋“油改電”項(xiàng)目，實(shí)現(xiàn)場橋作業(yè)由市電供電，達(dá)到降低成本、減排環(huán)保的目的；但由于市電無法為場橋轉(zhuǎn)場供電，部分碼頭為了確保場橋靈活轉(zhuǎn)場，仍保留原柴油發(fā)動(dòng)機(jī)組，為場橋轉(zhuǎn)場供電。在場橋轉(zhuǎn)場時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)行時(shí)間較短且啟停較為頻繁，容易造成發(fā)動(dòng)機(jī)損壞，使得設(shè)備運(yùn)行和維護(hù)成本較高。為了解決上述問題，在完成場橋“油改電”的基礎(chǔ)上，加裝小功率鋰電池系統(tǒng)替代柴油發(fā)動(dòng)機(jī)組為其轉(zhuǎn)場供電，從而使改造后的場橋完全摒棄柴油發(fā)動(dòng)機(jī)組。大連集裝箱碼頭有限公司于 2018 年完成 10 臺“油改電”場橋的鋰電池轉(zhuǎn)場供電系統(tǒng)項(xiàng)目，并基于公共直流母線技術(shù)，實(shí)現(xiàn)能量回饋充電。基于鋰電池儲能的場橋轉(zhuǎn)場供電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和應(yīng)用實(shí)現(xiàn)場橋零排放運(yùn)行，為集裝箱碼頭節(jié)能減排作出重要貢獻(xiàn)。
1 基于鋰電池儲能的場橋轉(zhuǎn)場供電系統(tǒng)設(shè)計(jì)
基于鋰電池儲能的場橋轉(zhuǎn)場供電系統(tǒng)是為“油改電”場橋低能耗、環(huán)保轉(zhuǎn)過場作業(yè)而設(shè)計(jì)的。在場橋轉(zhuǎn)場時(shí)，該系統(tǒng)使用鋰電池作為動(dòng)力源，向場橋大車及整機(jī)輔助設(shè)備提供動(dòng)力；場橋進(jìn)入街區(qū)后，系統(tǒng)自動(dòng)轉(zhuǎn)換為市電供電，同時(shí)為鋰電池充電。
1.1 鋰電池系統(tǒng)
1.1.1 系統(tǒng)組成
采用三元錳酸鋰單體電池，額定電壓 3.55 V，額定容量 10 A h，其優(yōu)點(diǎn)為倍率性能好、循環(huán)壽命長。采用液冷標(biāo)準(zhǔn)箱，電池模塊加上電池模塊控制單元
構(gòu)成電池模組。鋰電池組由 2 個(gè)串聯(lián)電池組并聯(lián)組成，每個(gè)串聯(lián)電池組由 8 個(gè)錳酸鋰液冷標(biāo)準(zhǔn)箱串聯(lián)組成。鋰電池組的相關(guān)參數(shù)如下：額定容量為 43.4
kW h；額定工作電壓為 543 V；工作電壓范圍為491~630 V；*大持續(xù)放電電流為200 A；*大持續(xù)充電電流為 200 A；峰值工作電流為 25 A/s；工作荷電狀態(tài)范圍為 30%~95%；充電、放電和儲電狀態(tài)下工作溫度范圍分別為 5~45℃、 20~45℃和 5~35℃。
1.1.2 系統(tǒng)保護(hù)策略
系統(tǒng)設(shè)有硬件和軟件保護(hù)：硬件保護(hù)包括過流保護(hù)等；軟件保護(hù)包括過壓保護(hù)、欠壓保護(hù)、過溫保護(hù)、過流保護(hù)、絕緣電阻過低保護(hù)等。此外，根據(jù)保護(hù)策略設(shè)置系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)，確保系統(tǒng)運(yùn)行安全可靠。
1.1.3 電池管理系統(tǒng)
電池管理系統(tǒng)包括電池模塊控制單元、高壓管理控制單元和電池組管理控制單元，能夠?qū)崿F(xiàn)對整個(gè)儲能電池系統(tǒng)的智能化管理和控制。電池模塊控制單元對電池模塊電壓和關(guān)鍵點(diǎn)溫度實(shí)施監(jiān)測，可同時(shí)采集 12 路電池電壓和 2 路電池溫度，并將采集的數(shù)據(jù)信息上傳至電池組管理控制單元；高壓管理控制單元可采集電池組的充放電電流和電池組總電壓，同時(shí)監(jiān)測電池組絕緣狀況，并將信息上傳至電池組管理控制單元；電池組管理控制單元接收電池模塊控制單元和高壓管理控制單元傳送的電池組數(shù)據(jù)信息，對電池組進(jìn)行充放電管理和荷電狀態(tài)修正，監(jiān)測電池系統(tǒng)繼電器開關(guān)狀態(tài)等，并將故障信息發(fā)送至可編程邏輯控制器。電池管理系統(tǒng)內(nèi)部采用控制器局域網(wǎng)絡(luò)總線通信方式，采用RS485 與可編程邏輯控制器通信，并與可編程邏輯控制器配合，完成電池儲能系統(tǒng)的充放電，同時(shí)實(shí)時(shí)監(jiān)測電池信息、電池儲能系統(tǒng)運(yùn)行狀況及絕緣狀況等，以便在電池系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)及時(shí)傳送故障信息，并根據(jù)保護(hù)策略采取相應(yīng)措施。此外，電池管理系統(tǒng)具備故障復(fù)位功能：系統(tǒng)發(fā)出故障報(bào)警后，可手動(dòng)復(fù)位電池系統(tǒng)，**故障狀態(tài)，或根據(jù)故障信息采取相應(yīng)措施排除故障；若復(fù)位電池系統(tǒng)３次以上仍出現(xiàn)相同故障報(bào)警，則觸發(fā)復(fù)位鎖定，需要排除故障后重啟電池系統(tǒng)。
1.2 充電系統(tǒng)
鋰電池利用“油改電”滑觸線市電實(shí)施充電：由中架滑觸線680 V直流電源通過直流-直流轉(zhuǎn)換器為“油改電”場橋充電，充電電流維持在 100 A。同時(shí)，直流-直流轉(zhuǎn)換器連接滑觸線端和電池端，構(gòu)成勢能回充回路，使設(shè)備下降勢能轉(zhuǎn)化為電能回充鋰電池；鋰電池充滿后，電能回流至市電滑觸線，從而使設(shè)備下降勢能全部實(shí)現(xiàn)電能回收，節(jié)能效果十分顯著。
1.3 電池容量
場橋工作電機(jī)包括 1 臺 210 kW起升電機(jī)、1 臺30 kW小車電機(jī)、2 臺 45 kW大車電機(jī)和 2 臺 15 kW轉(zhuǎn)向油泵電機(jī)。根據(jù)場橋電氣負(fù)載情況，按照場橋轉(zhuǎn)場空載運(yùn)行的實(shí)際工況計(jì)算電池容量。
（1）大車運(yùn)行工況：加速運(yùn)行階段，大車電機(jī)額定功率為 90 kW，運(yùn)行時(shí)間為 10 s；穩(wěn)速運(yùn)行階段，大車電機(jī)穩(wěn)態(tài)功率為 30 kW，運(yùn)行時(shí)間為 1 800 s；減速運(yùn)行階段，大車電機(jī)能量回饋功率為 45 kW，能量回饋持續(xù)時(shí)間為 10 s。
（2）小車運(yùn)行工況：加速運(yùn)行階段，小車電機(jī)額定功率為 30 kW，運(yùn)行時(shí)間為 6 s；穩(wěn)速運(yùn)行階段，小車電機(jī)穩(wěn)態(tài)功率為 10 kW，運(yùn)行時(shí)間為 8 s；減速運(yùn)行階段，小車電機(jī)能量回饋功率為 15 kW，能量回饋持續(xù)時(shí)間為 6 s。
（3）轉(zhuǎn)向液壓機(jī)構(gòu)運(yùn)行工況：啟動(dòng)階段，轉(zhuǎn)場液壓泵電機(jī)額定功率為 15 kW，加速峰值持續(xù)時(shí)間為3 s，轉(zhuǎn)場電機(jī)數(shù)量為 2 臺，轉(zhuǎn)向 2 次；穩(wěn)速運(yùn)行階段，轉(zhuǎn)場液壓泵電機(jī)穩(wěn)態(tài)功率為 3 kW，運(yùn)行持續(xù)時(shí)間為120 s，轉(zhuǎn)場電機(jī)數(shù)量為 2 臺，轉(zhuǎn)向 2 次。
（4）輔助機(jī)構(gòu)運(yùn)行工況：輔助機(jī)構(gòu)（包括 6.4 kW投光燈、6 kW空調(diào)和其他設(shè)備）功率為 15 kW，轉(zhuǎn)場*長運(yùn)行時(shí)間為 1 800 s。根據(jù)以上場橋轉(zhuǎn)場實(shí)際工況計(jì)算出轉(zhuǎn)場供電系統(tǒng)所需鋰電池*大容量為 23.18 kW h，設(shè)計(jì)電池容量為 28.23 kW h，滿足設(shè)備使用需求。充電裝置充電電流設(shè)置為 100 A（可調(diào)），補(bǔ)充 80 A h的電能需要 30 min（連續(xù) 160 A充電的情況下）。
2 場橋鋰電池轉(zhuǎn)場供電系統(tǒng)實(shí)際應(yīng)用
（1）斷市電后，場橋自動(dòng)切換到電池供電；送市電后，場橋自動(dòng)斷開電池電源并轉(zhuǎn)為充電模式。
（2）大車轉(zhuǎn)場時(shí)*長移動(dòng)距離 2 000 m，*長轉(zhuǎn)場時(shí)間 30 min，轉(zhuǎn)場次數(shù)為 1 次，轉(zhuǎn)向次數(shù)為 2 次。
（3）轉(zhuǎn)場電池供電系統(tǒng)具有電池監(jiān)測功能，可監(jiān)測電池組電壓和內(nèi)阻。
（4）司機(jī)室內(nèi)設(shè)有“啟動(dòng)”和“停止”按鈕，并設(shè)有顯示轉(zhuǎn)場狀態(tài)的顯示屏；直流-直流充電裝置不受“啟動(dòng)”按鈕的控制，在電池組不滿電的情況下，下降勢能即刻開始對電池組充電；充電故障信息自動(dòng)傳送至電氣房可編程邏輯控制器和電池房可編程邏輯控制器，并通過司機(jī)室的指示燈報(bào)警。
（5）安裝輔助設(shè)備用逆變器，為電池狀態(tài)和市電狀態(tài)下的場橋整機(jī)提供交流電。
（6）司機(jī)室安裝指示燈，用以顯示電池工作狀態(tài)以及報(bào)警，方便司機(jī)了解設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)。
（7）轉(zhuǎn)向泵由變頻器控制，可與大車變頻器相互切換。
（8）設(shè)置應(yīng)急插座箱，供場橋從地面移動(dòng)柴油機(jī)組的 480 V電源取電，以維持場橋各機(jī)構(gòu)低速運(yùn)行；另外，可以通過起升整流單元的母排電源為鋰電池應(yīng)急充電。
（9）在無交流電的情況下，恒壓恒頻逆變器和變頻器可以自行啟動(dòng)。
（10）在整機(jī)斷電的情況下，由不間斷電源為火災(zāi)報(bào)警裝置供電，滿足斷電情況下的報(bào)警需求。
（11）鋰電池供電系統(tǒng)可編程邏輯控制器與主系統(tǒng)可編程邏輯控制器之間采用光纖通信。
（12）在鋰電池供電的情況下，大車可以全速運(yùn)行，其他機(jī)構(gòu)可以慢速運(yùn)行。
3 結(jié)束語
鋰電池儲能技術(shù)的應(yīng)用使得場橋轉(zhuǎn)場摒棄發(fā)動(dòng)機(jī)組發(fā)電模式，實(shí)現(xiàn)場橋純電動(dòng)轉(zhuǎn)場?；阡囯姵貎δ艿膱鰳蜣D(zhuǎn)場供電系統(tǒng)對降低碼頭運(yùn)營成本、推動(dòng)碼頭節(jié)能減排、提高碼頭經(jīng)濟(jì)效益具有積極意義，其應(yīng)用前景十分光明。
