基于新能源技術(shù)的高速公路ETC門架供電系統(tǒng)

基于新能源技術(shù)的高速公路ETC門架供電系統(tǒng)摘要：隨著2019年高速公路省界收費(fèi)站的全面撤銷，ETC門架成為新收費(fèi)模式下車輛計(jì)費(fèi)的重要設(shè)施。為保障門架設(shè)備供電可靠性，實(shí)現(xiàn)“碳中和”時(shí)代背景下綠色發(fā)展，福建高速漳州管理分公司在現(xiàn)有ETC門架基礎(chǔ)上進(jìn)行了深入探索，以降本增效、綠色發(fā)展為理念，引進(jìn)新能源技術(shù)，旨在提高門架系統(tǒng)的應(yīng)急保障能力，實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)效益和社會效益的雙提升。取消高速公路省界收費(fèi)站后，在高速公路斷面設(shè)置ETC門架系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對所有車輛的分段計(jì)費(fèi)。ETC門架數(shù)量多、范圍廣，且24小時(shí)不間斷運(yùn)行，總能耗較高。目前高速公路ETC門架均采用電纜供電的方式，從就近收費(fèi)站或隧道配電房敷設(shè)電纜至門架一體化機(jī)柜內(nèi)。門架一體化機(jī)柜配備了高頻UPS主機(jī)+鋰電池的后備電源，在市電中斷時(shí)能夠提供不小于4小時(shí)的應(yīng)急供電。若出現(xiàn)電網(wǎng)供電設(shè)備或傳輸電纜損壞故障等情況，難以在短時(shí)間內(nèi)完成修復(fù)，無法保證設(shè)備的正常供電。雖然門架系統(tǒng)配有備用電源接口，但使用時(shí)需將便攜式汽油發(fā)電機(jī)從收費(fèi)站運(yùn)至現(xiàn)場進(jìn)行供電，中途需要耗費(fèi)較長時(shí)間，可操作性不強(qiáng)。針對上述問題，福建高速漳州管理分公司機(jī)維中心經(jīng)過充分的勘察、調(diào)研、論證，引入新能源技術(shù)構(gòu)建一套ETC門架應(yīng)急供電系統(tǒng)，以解決門架系統(tǒng)能耗高、備電時(shí)間短的問題。一系統(tǒng)介紹（一）實(shí)現(xiàn)目標(biāo)通過引進(jìn)門架新能源供電系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)兩個(gè)目標(biāo)：一是實(shí)現(xiàn)節(jié)約電能，降低線路負(fù)荷，減少碳排放；二是為門架系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)冗余供電，提高供電可靠性。根據(jù)實(shí)際應(yīng)用需求，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的光伏儲能和市電優(yōu)先級的設(shè)置，滿足綠色節(jié)能和應(yīng)急備電兩種功能模式的切換。（二）系統(tǒng)構(gòu)成本系統(tǒng)采用新能源供電，光伏組件將太陽能轉(zhuǎn)化為直流電能，經(jīng)過帶有MPPT（最大功率追蹤）功能的離網(wǎng)儲能逆變器進(jìn)行電能變換，輸出純凈優(yōu)質(zhì)的交流電。供電方式安全，節(jié)能環(huán)保。整套系統(tǒng)由光伏組件、光伏儲能逆變器，儲能鋰電池、配電模塊和監(jiān)控模塊組成，系統(tǒng)構(gòu)成如圖1所示。圖1系統(tǒng)整體構(gòu)成示意（三）工作邏輯

門架光伏供電系統(tǒng)通過儲能逆變器實(shí)現(xiàn)智能控制，可根據(jù)使用需求設(shè)置多種工作模式，達(dá)到不同的效果。1、光伏優(yōu)先模式：光伏優(yōu)先供電，當(dāng)光伏能量不足時(shí)由市電供電，電池作為備用供電。2、市電優(yōu)先模式：市電優(yōu)先供電，當(dāng)市電異常時(shí)，由光伏和蓄電池供電。3、SBU模式：光伏優(yōu)供電，光伏不足時(shí)，光伏和蓄電池共同向負(fù)載供電；當(dāng)光伏無法提供能量時(shí)，由儲能電池經(jīng)變換后給負(fù)載供電。市電作為備用電源。4、SUB模式：光伏優(yōu)先供電，當(dāng)光伏不足時(shí)，市電與光伏一起給負(fù)載供電。電池作為備用電源。通過分析上述4種工作模式的特點(diǎn)，針對高速公路ETC門架的節(jié)能應(yīng)用，采用SBU工作模式最能達(dá)到節(jié)能效果。系統(tǒng)工作邏輯如表1所示。（四）設(shè)備選型

經(jīng)調(diào)研，雙向四車道每套門架平均持續(xù)負(fù)載功率為0.7kW。峰值負(fù)載功率為1kW，以該負(fù)載數(shù)據(jù)進(jìn)行設(shè)備選型。1、儲能電池（1）電池類型的選擇：光伏儲能應(yīng)用的特點(diǎn)是充放頻繁，戶外應(yīng)用維護(hù)成本高，因此選用鋰電池作為儲能體，循環(huán)壽命長，免維護(hù)。本次選用安全性較高的磷酸鐵鋰電池組。（2）備電時(shí)間計(jì)算：門架系統(tǒng)為重要負(fù)載，設(shè)計(jì)備電時(shí)間為16小時(shí)，確保電網(wǎng)異常時(shí)能保障門架持久續(xù)航。（3）備電16h所需能量為：式中，Plav為門架平均持續(xù)負(fù)載功率，雙車道門架典型值為700W；T為所需備電時(shí)間；ηb為鋰電池轉(zhuǎn)換效率，常規(guī)值為95%。（4）電池組電壓：考慮小型光伏儲能逆變器的常規(guī)電池電壓等級以及電池電壓的安全性，選用16串，額定電壓51.2V機(jī)架式磷酸鐵鋰電池組。根據(jù)計(jì)算結(jié)果，選擇51.2V/120Ah6.1kWh磷酸鐵鋰儲能電池2組并聯(lián)，組成12.2kWh電池組，儲能滿足門架16小時(shí)備電。表2鋰電池參數(shù)圖2機(jī)架式磷酸鐵鋰電池2、光伏儲能逆變器逆變器為本系統(tǒng)的核心，作用是給負(fù)載供電、電池充電、能量調(diào)度和數(shù)據(jù)監(jiān)控。考慮到晴天光伏一天就能將電池充滿，充電時(shí)間為5小時(shí)，充電電流為0.2C，因此配套電池容量為12.2kWh，最大電池充電功率為：逆變器功率為：式中，PINV為逆變器額定功率；PImax為門架負(fù)載峰值功率；Pcmax為最大充電功率。根據(jù)第1點(diǎn)計(jì)算值為2.44kW；式中計(jì)算結(jié)果為需求的逆變器峰值功率，故選用3.5kW即可滿足需求。光伏儲能逆變器參數(shù)如表3所示。光伏儲能智能逆變器如圖3所示。表3光伏儲能逆變器參數(shù)圖3光伏儲能智能逆變器3、光伏組件（1）組件功率為：式中，PIav為門架平均持續(xù)負(fù)載功率；Pcmax為最大充電功率；η為逆變效率。

（2）光伏組件的電壓：根據(jù)所選逆變器允許的最大PV輸入電壓為450V，MPPT電壓范圍為120V~430V，選擇組件電壓范圍應(yīng)在120V~450V以內(nèi)?？紤]ETC門架上端安裝空間有限，選用60片單晶組件，便于安裝與維護(hù)。根據(jù)逆變器參數(shù)及上述計(jì)算結(jié)果，選用60片封裝的單晶組件，尺寸1763mm×1040mm×35mm。單塊組件開路電壓41.3V，功率370W。10塊組件串聯(lián)最大開路電壓410V，總功率為3.5kW，與逆變器適配。光伏組件參數(shù)如表4所示。60片單晶組件如圖4所示。表4光伏組件參數(shù)圖4

60片單晶組件（五）安裝方案本系統(tǒng)主要由光伏組件、光伏儲能逆變器、儲能鋰電池和配電模塊組成。系統(tǒng)安裝充分利用原有門架系統(tǒng)基礎(chǔ)設(shè)施，不影響原有設(shè)備布局。光伏組件利用門架頂部空間進(jìn)行安裝，朝南傾斜一定角度，確保組件接受的太陽能照射強(qiáng)度和面積最大?？紤]到本路段地處沿海地區(qū)，光伏組件的安裝必須牢固可靠，并具備一定的抗風(fēng)能力。組件固定支架采用L型加厚角鐵滿焊，與門架頂部橫梁采用八點(diǎn)固定法，確保組件支架與門架橫管緊固。光伏組件四邊與支架采用四組專用光伏組件壓片壓固，并通過四個(gè)加強(qiáng)螺栓固定，受力均勻，進(jìn)一步提高安全系數(shù)。光伏儲能逆變器和儲能鋰電池采用機(jī)架式結(jié)構(gòu)，安裝于門架一體化機(jī)柜內(nèi)。GPRS監(jiān)控模塊與逆變器通過RS485進(jìn)行發(fā)電數(shù)據(jù)監(jiān)控，并通過運(yùn)營商網(wǎng)絡(luò)定時(shí)發(fā)送發(fā)電數(shù)據(jù)。配電模塊在原有供電基礎(chǔ)上進(jìn)行改造。機(jī)柜內(nèi)配備有空調(diào)，確保光伏逆變器和鋰電池組處于良好的運(yùn)行環(huán)境，以延長使用壽命。光伏組件安裝效果如圖5所示。改造后的一體化機(jī)柜如圖6所示。

整體效果如圖7所示。圖5光伏組件安裝效果圖6改造后的一體化機(jī)柜圖7整體效果圖（六）系統(tǒng)特點(diǎn)

1、采用高頻智能光伏儲能逆變器，體積小，重量輕，支持光伏優(yōu)先、市電優(yōu)先等多種工作模式，實(shí)現(xiàn)能量調(diào)度。2、可根據(jù)當(dāng)?shù)毓庹占柏?fù)載情況，靈活調(diào)整組件及電池配置，實(shí)現(xiàn)快充慢放，可實(shí)現(xiàn)長時(shí)間備電，脫網(wǎng)運(yùn)行，“零碳”排放。3、采用磷酸鐵鋰儲能電池，100%充放電深度循環(huán)可達(dá)3000次以上，使用壽命可超過十年。4、鋰電池組內(nèi)置BMS（電池管理系統(tǒng)），實(shí)現(xiàn)電池狀態(tài)的檢測和保護(hù)，避免鋰電池過充或過放，確保電池的安全運(yùn)行。5、鋰電池組可通過RS485接口與光伏儲能逆變器進(jìn)行通訊，逆變器可對鋰電池組狀態(tài)進(jìn)行檢測，確保兩者工作邏輯正常。6、可利用原有的門架鋼結(jié)構(gòu)和機(jī)柜進(jìn)行安裝，施工方便。7、配備GPRS監(jiān)控模塊，實(shí)現(xiàn)發(fā)電數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程監(jiān)控，可在后臺PC端或手機(jī)App快捷查看發(fā)電數(shù)據(jù)及系統(tǒng)運(yùn)行情況等信息。8、通過監(jiān)控模塊，可實(shí)現(xiàn)對逆變器的遠(yuǎn)程控制，滿足戶外無人值守的應(yīng)用需求。二效益分析（一）經(jīng)濟(jì)效益

引進(jìn)光伏新能源供電，減少動力費(fèi)支出。ETC門架光伏供電系統(tǒng)通過光伏儲能技術(shù)，白天發(fā)電并儲電，夜晚由儲能體放電，儲能體配置合理，可取代市電供電（市電僅作為備用）。據(jù)統(tǒng)計(jì)，該系統(tǒng)投運(yùn)后，每套ETC門架全年可節(jié)約電能約為6500kWh，可節(jié)省電費(fèi)約4500元。（二）社會效益首先，光伏發(fā)電作為清潔可再生能源，對全社會有著廣泛而特別的作用。2021年9月以來，福建省用電保持高速增長，電力供應(yīng)出現(xiàn)臨時(shí)短期性缺口。引入光伏儲能系統(tǒng)，對節(jié)能減排、保護(hù)環(huán)境具有重大的意義。同時(shí)在碳中和時(shí)代背景下，符合綠色高速、綠色出行的節(jié)能環(huán)保理念。其次，在突發(fā)市電中斷的情況下，可由該系統(tǒng)提供備電，同原有后備電源互為補(bǔ)充，彌補(bǔ)了原有門架供電系統(tǒng)備電時(shí)間短的不足，最大限度保障了外場ETC門架的穩(wěn)定可靠運(yùn)行，為高速公路的通行費(fèi)征收工作保駕護(hù)航。三結(jié)束語光伏產(chǎn)業(yè)目前處于高速發(fā)展階段，具有獨(dú)特的優(yōu)勢和巨大的發(fā)展?jié)摿Α９夥鼉δ芊桨冈诮鼛啄耆找娉墒?，但在?shí)際應(yīng)用中，仍然需要根據(jù)不同項(xiàng)目的應(yīng)用情況調(diào)整配置，以達(dá)到最佳使用效果。經(jīng)過一段時(shí)間的使用和驗(yàn)證，基于新能源的高速公路ETC門架應(yīng)急供電系統(tǒng)已取得預(yù)期的效果，是智慧高速、綠色高速的一道獨(dú)特“風(fēng)景線”。參考文獻(xiàn)[1]戚劍勇，陳賢哲，諸榮耀，等.分布式太陽能光伏發(fā)電在高速公路服務(wù)區(qū)的應(yīng)用探究[J].科技創(chuàng)新與應(yīng)用，2016（3）：167-173.[2]唐明濤，陳志強(qiáng)，王志剛，等.分布式光伏發(fā)電在高速公路交通設(shè)施中的應(yīng)用[J].太陽能，2016(9)：28-31.[3]

程飛，劉小粉.江西高速公路服務(wù)區(qū)光伏發(fā)電項(xiàng)目投資分析[J].交