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可再生能源智能微电网——绿色港口发展之路
阿图利娅·米斯拉、加亚赫里·文卡塔拉马尼、森蒂尔库马尔·高里尚卡尔，印度金奈市Elayaeperumal Ayyasam和Velraj Ramalingam
摘要
港口业占全球温室气体排放量的3%。可持续的倡议和零能源目标正在推动可再生能源的使用，如太阳能光伏发电、风能和其他系统。本文的主要目的是探讨如何利用微电网有效整合可再生能源技术，减少港口内的温室气体排放。基于清洁能源的直流微电网被认为是一种革命性的电力解决方案。在一些发展的部门里，由于它们产生的温室气体（ghg）更少，运行成本更低，并且具有灵活性，它们对研究人员的吸引力越来越大。本文着重介绍了利用合适的储能技术实现基于可再生能源的直流微电网实现港口能源可持续管理的好处。
导言
全球航运通常由独立的柴油发电机供电。发电成本对航运和港口设施影响很大。在航运业使用可再生能源将是有利的，特别是在减少一氧化碳排放和减少对矿物燃料的依赖方面。然而，与重复利用相关的间歇性以及最近其在总发电量中所占份额的大幅增加可能导致发电、配电和需求方面的问题，造成电网不稳定的可能性。通过开发大量具有储能能力的微电网，可以减少这些问题的严重性。微电网是小型电网，可以独立运行，也可以连接到大型公用电网。如果这些微电网与一次电网相结合，它们就可以单独管理供需。然后，智能微电网将使消费者能够连接到一次能源输送网络。
一些研究正在开发船上的、可再生的、用于海上应用的微电网系统。Corredor等人。开发了一种新型的内燃机（ICE）混合动力推进系统，该系统通过并联配置系统中的直流母线装置与电池供电的电动机耦合，增加了船舶的行驶距离与燃油消耗率之比[1]。对船舶尺寸、发动机混合动力配置等参数进行了仿真。Strunz等人。提出了一种具有RE系统的直流微电网[2]。在此基础上，提出了一种新的不确定性量化方法，并将其应用于蓄电池储能系统的不确定性量化。微电网系统可以在自主模式下运行，当无法连接到主电网时，支持不间断电源（UPS）。Jayant Kumar讨论了在港口拥有的应用中开发智能微电网的重要性[3]。一个新的微电网系统已建议费城海军船厂阿尔斯通。Krkoleva等人。为农村地区开发了一个试点微电网[4]。他们的微电网包括农场现有低压电网的一部分，包括样本负载和发电机。微电网内的电力负荷既可以由电网提供，也可以由可再生能源发电。
Cherry等人，指出电气化与人类不断发展之间有着密切的联系，但在发展中国家，获得电力往往是不可靠、不可用或无法获得的，尤其是集中的电网。他们发展了利用沼气池为内燃机提供燃料的概念，为分散供电的便携式储能装置（PESD）发电。Hebener等人。研究了陆地微电网和船舶电力系统的各个方面[6]。他们指出，平衡策略是提高有限惯性电力系统系统稳定性的有效工具，是早期微电网和船舶电力系统设计的重要考虑因素。Gerry等人。优化的分布式能源（DER）包括分布式发电（太阳能光伏阵列、风能、水力和沼气发电）和备用电池[7]。他们采用了一种基于数学模型的方法，对分布式电源的每个组成部分进行优化，并使用荷马（一种软件工具）来确定分布式电源的经济可行性，以确保可靠的供电负荷需求和成本最小化。还讨论了克服独立应用RE系统中若干技术挑战的方法。Mariam等人。为基于社区的微电网系统的开发进行了微发电技术和经济分析[8]。他们对缺乏重新上网电价政策的社区的风力发电微发电系统进行了分析。本文接下来考虑可再生能源发电的整合，并介绍了印度金奈港智能微电网的概念。这项研究有助于分析在社区范围内重新部署的可行性，同时尽量减少环境污染。提出的直流微电网是发展绿色港口及其设施的模式。
金奈港能源消费格局
金奈港原名马德拉斯港，是印度吞吐量第四大港口。它位于科拉曼德尔海岸，年处理能力为8600万吨。该港设有24个货物装卸泊位，沿3个码头分布，进港航道长7公里。港口的电力由泰米尔纳德邦发电和配电公司（TANGEDCO）提供。
港口使用大量电力和柴油进行货物联运和提供必要的服务。它使用柴油作为卡车、发电机、铁路机车、起重机和系泊船的燃料。柴油操作起重机位于集装箱码头1和2。该港口有5艘拖船用于操纵商船停泊，2艘挖泥船用于保持码头深度，4艘系泊艇，8艘700马力机车（铁路机车）和2艘1400马力机车。动力传输到机车使用交流发电机。港口车辆、1号、2号货柜码头的起重机和其他设备每年消耗的柴油总量为630万升。其中，起重机用柴油占59.2%，拖船用柴油占25.5%，其他设备用柴油占15.3%。港口车辆和设备的柴油消耗量如图1所示。
图1。各种港口自有车辆和设备的柴油消耗量。
金奈港的主要用电设备包括：1）港口自有设备，如起重机、泵、冷藏（冷藏船）集装箱；2）私人操作的集装箱移动起重机、转运起重机集装箱联运；3）居住区。金奈港的用电设备如图2所示。
金奈港电能消耗
港口自有设备用电量 （5654.053兆瓦时/年）
住宅小区用电量 （2796兆瓦时/年）
港口租户和用户用电量 （16556兆瓦时/年）
主要设备：集装箱码头1和2的起重机/转运起重机
主要设备：照明、供暖通风与空气调节、家电等。
主要设备：起重机、泵、冷藏集装箱
图2。金奈港的主要电力用户。
在港口，电能用于照明、建筑物空调和货物装卸设备。位于码头的电动起重机主要用于装卸干散货，偶尔也用于沿泊位疏浚，以打捞在装卸过程中沿泊位滑落或溢出的货物。金奈港的总用电量包括港口自有设备、港口承租人、用户操作设备以及住宅区消耗的电能。总用电量为25.0千兆瓦/年，如表1所示分配。港口自有设备的用电量为5.65gWh/年（占总用电量的22.6%）。港口承租人和用户因操作集装箱移动起重机和集装箱1号和2号码头集装箱联运转运起重机而消耗的能源占16.55gWh/年。住宅区因照明而消耗的电能，空调负荷和其他家用电器每年占2.8gWh。
表1。金奈港主要用电设备/公用设施。
港口活动用可再生能源技术
制定一项战略计划，使拟议的可再生能源发电与港口电力需求相匹配的过程涉及技术、组织和港口政策分析。这一过程包括将港口与东道社区充分整合，以实现成为“绿色港口”的目标。金奈港口的选择包括利用海风，通过安装风力涡轮机发电，利用太阳能光伏系统，以及从渔港废物中生产沼气。这些再资源产生的电力将支持智能微电网的发展，有效地将电力用于各种现场应用。下一步，我们考虑利用可再生能源发电。
太阳能光伏发电
印度地处地球赤道地区，太阳能资源丰富。印度的日均太阳能发病率从4千瓦时/平方米到7千瓦时/平方米不等，金奈的日均太阳能发病率约为5.6千瓦时/平方米。一年中有大约300个晴天。泰米尔纳德邦的容量利用率（CUF）为19%。例如，一个1kWp的太阳能装置可以每天产生约4.56单位（4.56kWh）的电力。
泰米尔纳德邦的容量利用率=工厂的实际能量divide;（发电厂容量*24*365）（一）
典型1千瓦时太阳能光伏发电厂的平均潜在屋顶面积要求约为9.5m2无阴影面积。金奈港的屋顶面积（仓库、运输棚、行政区和住宅区）为82142平方米，将能够开发一座8.65兆瓦的太阳能光伏发电厂，发电量接近1440万台（14.4千兆瓦小时）每年的电力。这种清洁能源每年可减少16262吨温室气体排放。新加坡裕廊港（Jurong Port，Singapore）[1,5]宣布在超过95000平方米的仓库屋顶空间安装太阳能电池板，据称这将使其成为世界上最大的港口太阳能设施。金奈港正在考虑利用建筑物的屋顶空间安装太阳能光伏系统。建议安装至少5兆瓦，年发电量为832万台（8.32千兆瓦）。
风能
在现有的可再生能源类型中，风能发电最具成本效益，发电成本与其他常规能源相当。泰米尔纳德邦是印度南部的一个邦，也是金奈港的所在地，在季风季节有三个显著的高风力通道。在港口安装风力发电机（WTG）可以捕获来自沿海微风的风能，驱动发电机并产生电力。风力发电机产生的电力通过交流-直流转换器和电池充电器输送到渔船上的电池和负载。尤其是海上风电开发是现代绿色港口增加收入、获取竞争优势的理想途径。
金奈港计划开发海上风能，原因如下：
bull;风能丰富且可用。
bull;风电机组占用的空间最小。
bull;环境中性，符合空气排放法规。
bull;现代风能技术与港口技术和运营密切相关。
bull;港口是陆基和近海农场的理想位置。
bull;从金融和商业角度看，港口是可再生能源的理想消费者，与海运和港口能源发电技术兼容。
金奈港信托公司继续努力推行其绿色港口倡议，提议开发一个初始容量为6.5兆瓦的风电场。风电场的年净发电量约为1460万台（146gWh），约占港口年电力需求的58%。
利用渔港废弃物发电
金奈港打算查明渔业废物生产沼气的潜力。鱼粪被认为是沼气生产的潜在基质。它作为甲烷生产的高价值有机碳源具有巨大的潜力。
沼气的能量含量与甲烷浓度直接相关。鱼粪产生的沼气约为每吨总固体（TS）1279m3。利用鱼粪生产的沼气甲烷浓度很高，约为71%。典型的正常立方米甲烷的热值约为10千瓦时，而二氧化碳的热值为零。以鱼粪产生的沼气为例，热值为7.1 kWh/Nm3。这种沼气可以作为固定式发动机的燃料，30%到40%的能量用于发电，而剩余的能量变成热能。
金奈港管理的渔港产生大量的鱼类废物（每年1200-1300吨）。这些废物由金奈公司处理。金奈港利用30%的转换效率，每年可利用累积的鱼粪发电380万千瓦时，发电量接近金奈港总发电量的15%。为了提高沼气的转化效率，建议采用热电联产，如图3所示。产生的热量可通过多效蒸发器产生饮用水，满足港口的全部饮用水需求。
考虑到图3情景中描述的效益，港口建议安装一个沼气发电系统，配备两台沼气发电机（200千瓦和300千瓦），以降低部分负荷运行的可能性。该系统每年可产生3.5gWh的电力。
利用可再生能源和储能的微电网
可为可持续可再生能源提供直流微电网，以尽量减少在金奈港操作起重机和其他设备所需的能源。大多数可再生能源产生直流电。微电网是一种分散的电网，它将负荷集群和局部地区的并行分布式发电系统结合在一起。数据和电信中心正在使用当地的直流微电网。在发展中国家，直流微电网有着潜在的巨大市场。随着发展中国家再发电量的增加，它们为世界上服务不足地区提供的好处继续增加。基于RE的分布式直流微电网可以降低配电和输电需求。直流微电网的其他优势支持用户需求、当地公用事业及其社区。这些措施包括提高电力性能、降低总体电力消耗、减少温室气体和污染物排放、提高服务质量和提高本地可靠性。
人们越来越认识到，储能系统将是未来输电网络的关键技术，特别是那些对可再生资源依赖性很强的输电网络。储能系统可以：1）实现供需匹配；2）替换
图3。渔港废弃物沼气的产生与利用。
低效的辅助电力生产；3）通过多样化的能源供应和提高可再生能源渗透水平来确保电网稳定；4）确保供应安全；5）促进分布式发电。存在各种各样的电能和热能储存技术，这些技术因功率和能量密度、物理尺寸、成本、充放电时间段和市场准备程度而有所不同。对于以小时为时间尺度的中大规模电存储需求，机械和电化学电存储技术是最可行的，但没有一种技术能够满足所有的要求。目前正在开发的储能技术包括先进电池、压缩空气储能、燃料电池等，以储存间歇性可再生能源。将储能技术融入发电和配电网络需要了解潜在的利益和风险，并符合网络操作规则，热电储能的最佳组合，以达到降低一氧化碳、降低成本、安全可靠的多重目标。
在港口和港口拥有的地区展示电动汽车的使用越来越重要。电动船比装有柴油机的船效率更高。如果港口内的所有船只、车辆和机械使用电力，就可以实现100%的清洁能源港口。
由于在港口和港口装卸货物通常使用起重机和车辆，因此正在努力使其更加环保。大多数这类车辆是柴油驱动的，但可以配备电动电池驱动系统。金奈港的能源主要用于操作起重机和重型机械。集装箱起重机是港口码头最耗电的设备。提升容器时，所需电流取决于所施加的扭矩。当起重机下降时，可以发电并将其储存在电池中。
拟议制度
船舶的电力系统是一个微电网。它包括发电、配电和负荷。在海上，它既孤立又自给自足。以类似的方式，为金奈港（见图4）提出了一个直流微电网，由稀土发电。
图4。拟议的可再生能源直流微电网系统的说明。
港口计划通过重新使用微电网来满足其全部电能需求。配电系统所需电力可通过5兆瓦太阳能光伏系统（8.32千兆瓦/年）、6.5兆瓦风力发电系统（14.6千兆瓦/年）和500千瓦沼气发电系统（3.5千兆瓦/年）获得。这些系统产生的电能在用功率调节设备调节所产生的电能后被送入直流微电网。将根据微电网的要求设计和安装新的直流母线系统和输电线路。
港口车辆和起重机正在考虑使用包括电池和超级电容器在内的储能装置，以减少导致成本和能源消耗增加的功率波动。日均用电量约7万千瓦时。为了储存大约60%的日常用电需求，将安装一个电池储存和压缩空气能量储存系统。电池储存系统将设计为储20000单位电力，并为起重机和其他港口
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