目前，我國多數集裝箱碼頭已完成場橋“油改電”項目，實現場橋作業由市電供電，達到降低成本、減排環保的目的；但由于市電無法為場橋轉場供電，部分碼頭為了確保場橋靈活轉場，仍保留原柴油發動機組，為場橋轉場供電。在場橋轉場時，發動機的運行時間較短且啟停較為頻繁，容易造成發動機損壞，使得設備運行和維護成本較高。為了解決上述問題，在完成場橋“油改電”的基礎上，加裝小功率鋰電池系統替代柴油發動機組為其轉場供電，從而使改造后的場橋完全摒棄柴油發動機組。大連集裝箱碼頭有限公司于 2018 年完成 10 臺“油改電”場橋的鋰電池轉場供電系統項目，并基于公共直流母線技術，實現能量回饋充電。基于鋰電池儲能的場橋轉場供電系統的設計和應用實現場橋零排放運行，為集裝箱碼頭節能減排作出重要貢獻。

1 基于鋰電池儲能的場橋轉場供電系統設計

基于鋰電池儲能的場橋轉場供電系統是為“油改電”場橋低能耗、環保轉過場作業而設計的。在場橋轉場時，該系統使用鋰電池作為動力源，向場橋大車及整機輔助設備提供動力；場橋進入街區后，系統自動轉換為市電供電，同時為鋰電池充電。

1.1 鋰電池系統

1.1.1 系統組成

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，其優點為倍率性能好、循環壽命長。采用液冷標準箱，電池模塊加上電池模塊控制單元

構成電池模組。鋰電池組由 2 個串聯電池組并聯組成，每個串聯電池組由 8 個錳酸鋰液冷標準箱串聯組成。鋰電池組的相關參數如下：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；*大持續放電電流為200 A；*大持續充電電流為 200 A；峰值工作電流為 25 A/s；工作荷電狀態范圍為 30%~95%；充電、放電和儲電狀態下工作溫度范圍分別為 5~45℃、 20~45℃和 5~35℃。

1.1.2 系統保護策略

系統設有硬件和軟件保護：硬件保護包括過流保護等；軟件保護包括過壓保護、欠壓保護、過溫保護、過流保護、絕緣電阻過低保護等。此外，根據保護策略設置系統運行參數，確保系統運行安全可靠。

1.1.3 電池管理系統

電池管理系統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，能夠實現對整個儲能電池系統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鍵點溫度實施監測，可同時采集 12 路電池電壓和 2 路電池溫度，并將采集的數據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，同時監測電池組絕緣狀況，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據信息，對電池組進行充放電管理和荷電狀態修正，監測電池系統繼電器開關狀態等，并將故障信息發送至可編程邏輯控制器。電池管理系統內部采用控制器局域網絡總線通信方式，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，完成電池儲能系統的充放電，同時實時監測電池信息、電池儲能系統運行狀況及絕緣狀況等，以便在電池系統發生故障時及時傳送故障信息，并根據保護策略采取相應措施。此外，電池管理系統具備故障復位功能：系統發出故障報警后，可手動復位電池系統，**故障狀態，或根據故障信息采取相應措施排除故障；若復位電池系統３次以上仍出現相同故障報警，則觸發復位鎖定，需要排除故障后重啟電池系統。

1.2 充電系統

鋰電池利用“油改電”滑觸線市電實施充電：由中架滑觸線680 V直流電源通過直流-直流轉換器為“油改電”場橋充電，充電電流維持在 100 A。同時，直流-直流轉換器連接滑觸線端和電池端，構成勢能回充回路，使設備下降勢能轉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，從而使設備下降勢能全部實現電能回收，節能效果十分顯著。

1.3 電池容量

場橋工作電機包括 1 臺 210 kW起升電機、1 臺30 kW小車電機、2 臺 45 kW大車電機和 2 臺 15 kW轉向油泵電機。根據場橋電氣負載情況，按照場橋轉場空載運行的實際工況計算電池容量。

（1）大車運行工況：加速運行階段，大車電機額定功率為 90 kW，運行時間為 10 s；穩速運行階段，大車電機穩態功率為 30 kW，運行時間為 1 800 s；減速運行階段，大車電機能量回饋功率為 45 kW，能量回饋持續時間為 10 s。

（2）小車運行工況：加速運行階段，小車電機額定功率為 30 kW，運行時間為 6 s；穩速運行階段，小車電機穩態功率為 10 kW，運行時間為 8 s；減速運行階段，小車電機能量回饋功率為 15 kW，能量回饋持續時間為 6 s。

（3）轉向液壓機構運行工況：啟動階段，轉場液壓泵電機額定功率為 15 kW，加速峰值持續時間為3 s，轉場電機數量為 2 臺，轉向 2 次；穩速運行階段，轉場液壓泵電機穩態功率為 3 kW，運行持續時間為120 s，轉場電機數量為 2 臺，轉向 2 次。

（4）輔助機構運行工況：輔助機構（包括 6.4 kW投光燈、6 kW空調和其他設備）功率為 15 kW，轉場*長運行時間為 1 800 s。根據以上場橋轉場實際工況計算出轉場供電系統所需鋰電池*大容量為 23.18 kW h，設計電池容量為 28.23 kW h，滿足設備使用需求。充電裝置充電電流設置為 100 A（可調），補充 80 A h的電能需要 30 min（連續 160 A充電的情況下）。

2 場橋鋰電池轉場供電系統實際應用

（1）斷市電后，場橋自動切換到電池供電；送市電后，場橋自動斷開電池電源并轉為充電模式。

（2）大車轉場時*長移動距離 2 000 m，*長轉場時間 30 min，轉場次數為 1 次，轉向次數為 2 次。

（3）轉場電池供電系統具有電池監測功能，可監測電池組電壓和內阻。

（4）司機室內設有“啟動”和“停止”按鈕，并設有顯示轉場狀態的顯示屏；直流-直流充電裝置不受“啟動”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，并通過司機室的指示燈報警。

（5）安裝輔助設備用逆變器，為電池狀態和市電狀態下的場橋整機提供交流電。

（6）司機室安裝指示燈，用以顯示電池工作狀態以及報警，方便司機了解設備運行狀態。

（7）轉向泵由變頻器控制，可與大車變頻器相互切換。

（8）設置應急插座箱，供場橋從地面移動柴油機組的 480 V電源取電，以維持場橋各機構低速運行；另外，可以通過起升整流單元的母排電源為鋰電池應急充電。

（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。

（10）在整機斷電的情況下，由不間斷電源為火災報警裝置供電，滿足斷電情況下的報警需求。

（11）鋰電池供電系統可編程邏輯控制器與主系統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，大車可以全速運行，其他機構可以慢速運行。

3 結束語

鋰電池儲能技術的應用使得場橋轉場摒棄發動機組發電模式，實現場橋純電動轉場。基于鋰電池儲能的場橋轉場供電系統對降低碼頭運營成本、推動碼頭節能減排、提高碼頭經濟效益具有積極意義，其應用前景十分光明。