基于超級電池的雙動力場橋轉(zhuǎn)場系統(tǒng)的研制

【摘 要】集裝箱碼頭實施油改電工程后，場橋的作業(yè)需要雙動力源完成，本文介紹了一種保留原場橋的柴油發(fā)電機組，基于超級電池的轉(zhuǎn)場系統(tǒng)的研發(fā)過程及應用情況。

【關鍵詞】雙動力場橋 超級電池 轉(zhuǎn)場系統(tǒng)

一、課題背景

近年來，國內(nèi)很多專業(yè)集裝箱碼頭完成了場橋油改電工程，改造后場橋在箱區(qū)內(nèi)的作業(yè)時使用市電，在轉(zhuǎn)場過程中仍使用柴油發(fā)電機組，即所謂“雙動力場橋”。場橋的轉(zhuǎn)場仍需柴油發(fā)電機組完成，市電—柴電的頻繁切換導致發(fā)動機磨損增加，場橋“零排放”未能實現(xiàn)，轉(zhuǎn)場靈活性降低影響作業(yè)效率。為此，使用新能源設備進行轉(zhuǎn)場成為油改點工程后各碼頭著手研究發(fā)展的課題之一。

二、系統(tǒng)可行性分析

系統(tǒng)可行性分析主要依據(jù)是場橋作業(yè)工況和技術參數(shù)，具體包括如下幾個條件：

安裝空間：系統(tǒng)需安裝在獨立機房內(nèi)，稱作電池機房。根據(jù)場橋空間確定電池房外形尺寸最大為2.2m（L）*1.5m（W）*2.6m（H）。

輪壓負荷：根據(jù)場橋海陸兩側(cè)負荷情況進行輪壓計算，確定電池房的最大重量4噸。

系統(tǒng)性能：首先滿足在電池驅(qū)動下SOC保持在40%以上；其次連續(xù)轉(zhuǎn)向20次；最后滿足輔助設備不間斷供電。

三、系統(tǒng)設計方案

在可行性分析的基礎上得出系統(tǒng)設計的關鍵點包括儲能元件、逆變電源、電氣隔離、控制連鎖和系統(tǒng)安全等因素。

（一）儲存元件的選擇。常用的動力系統(tǒng)儲存元件主要為三種：傳統(tǒng)的VRLA電池、鋰離子電池和超級電池。三種元件的性能對比如下表所示：

如表一所示數(shù)據(jù)，綜合考慮使用超級電池為系統(tǒng)的儲存元件。超級電池共48節(jié)串聯(lián)，單節(jié)電池電壓12V，容量為120AH，最大放電電流可達到300A。電池組在10%SOC 時端電壓為580V，在100%SOC時端電壓為624V，滿足系統(tǒng)要求。

（二）逆變電源的選擇

根據(jù)場橋系統(tǒng)的要求，逆變電源的容量60KW、交流輸入電壓380VAC—480VAC、直流輸入電壓450VDC—750VDC、交流輸出電壓380VAC—480VAC，可是實現(xiàn)交直流輸入在線“零縫隙”切換。

（三）系統(tǒng)設計的思路。為了使場橋改造后司機的操作不受太大影響，設計思路要從直流主電路接口、交流主電路接口和控制電路接口三個方面著手。直流接口作外接式，即將電池直流母線和場橋變頻器直流母線外接，線路設置空氣開關、接觸器、二極管和保險等保護裝置，使外界系統(tǒng)做到安全隔離。交流接口為嵌入式，即將逆變電源“鑲嵌”在交流主電路中，同時設置旁路開關作為應急操作使用?？刂平涌谠O計到兩套系統(tǒng)之間的I/O聯(lián)絡，逆變電源的控制和保護，直流母聯(lián)的控制和保護，電池狀態(tài)監(jiān)測和維護以及場橋電池用電時的控制和保護等。

（四）直流主電路。電池系統(tǒng)的直流連接為外接式，直流母線正極安裝二極管的目的是避免變頻器對電池組進行充電，直流母線負極安裝分流器進行電流采集、反饋和控制。

在電池側(cè)的直流母線上安裝了EPS（逆變電源）以供場橋系統(tǒng)控制電源和輔助設備以及電池系統(tǒng)輔助、控制電源使用。母線正極安裝二極管，作用是除了截止電池不充電外，保證EPS交直流切換時供電不間斷。

（五）交流主電路。電池系統(tǒng)和場橋系統(tǒng)在交流方面的連接方式為嵌入式，即將EPS嵌入接在輔助電路中。EPS交流進線來自場橋原電路，EPS輸出分返回場橋輔助變壓器供給場橋輔助電路和電池系統(tǒng)控制回路。

（六）控制回路

1.EPS啟?？刂?。EPS啟動命令包括維修用的上電開關和電瓶接觸器觸點，兩個啟動信號并聯(lián)接入EPS的外部控制端子。EPS的停止是通過在停止端子上接入緊停開關來實現(xiàn)的。另外，EPS具有自我保護功能，故障情況能自動關斷，同時反饋信號接入電池控制器用于切斷直流母聯(lián)。

2.直流母聯(lián)控制。在使用市電/柴電作業(yè)的情況下，母聯(lián)接觸器斷開，電池母線和變頻器直流母線隔離；在使用電池轉(zhuǎn)場作業(yè)時，電池控制器在檢測到市電/柴電信號無、控制電源合信號有、電池電量充足信號有以及母聯(lián)空氣開關、電池狀態(tài)良好等信號有的情況下，控制緩沖接觸器和主接觸器先后吸合，從而完成母聯(lián)連接，上述任何條件的不滿足，母聯(lián)將關斷。

3.充電控制。在使用市電/柴電作業(yè)的情況下，電池控制器檢測到市電/柴電信號有即對電池進行充電。充電過程分為恒流充電和涓流充電，同時冷卻風機間斷周期開啟，輔助電池房空調(diào)，為電池提供良好的環(huán)境溫度。

四、系統(tǒng)改造

系統(tǒng)改造包括平臺加固、電池房吊裝、電氣調(diào)試等工作：

（一）平臺加固。在原平臺14#槽鋼框架的基礎上，我們用14#槽鋼框架疊了一層，對平臺進行了加強改造， 同時在機房內(nèi)側(cè)使用150*100方管安裝了機房的防撞護杠。

（二）平臺布置方案。在滿足元器件散熱空間和維修空間的基礎上，考慮配重平衡完成吊裝。

（三）電氣調(diào)試。安裝完成后，根據(jù)系統(tǒng)控制功能和技術性能要求進行調(diào)試，啟?？刂?、直流回路、交流回路、電池充放電以及極限工況測試均順利通過，技術性能達成設計指標的要求。

五、結(jié)束語

投入運行后系統(tǒng)工作狀態(tài)良好，電池基本處于浮充狀態(tài)。系統(tǒng)實現(xiàn)了場橋無污染無噪音操作；提高了場橋轉(zhuǎn)場效率和用電率。二是使用了電池和EPS后，輔助用電設備實現(xiàn)了不間斷供電，提高了作業(yè)的安全性和便捷性。綜上所述，該系統(tǒng)實現(xiàn)了場橋的零排放，提高場橋的可靠性和經(jīng)濟性。