三種典型混合動(dòng)力RTG的比較分析

黃婷，徐磊，黃細(xì)霞，牛王強(qiáng)

(1.上海海事大學(xué)，上海201306；2.上海振華重工(集團(tuán))股份有限公司，上海200125)

三種典型混合動(dòng)力RTG的比較分析

黃婷1，徐磊2，黃細(xì)霞1，牛王強(qiáng)1

(1.上海海事大學(xué)，上海201306；2.上海振華重工(集團(tuán))股份有限公司，上海200125)

隨著超級(jí)電容和鋰電池等儲(chǔ)能系統(tǒng)的發(fā)展，使混合動(dòng)力RTG節(jié)能減排技術(shù)成為可能。分析了RTG系統(tǒng)的功率需求。從系統(tǒng)技術(shù)原理、動(dòng)力參數(shù)和效益等方面，對(duì)超級(jí)電容和鋰電池作為輔助動(dòng)力源和以大容量鋰電池作為主動(dòng)力源的三種混合動(dòng)力RTG方案進(jìn)行了對(duì)比分析。表明了采用大容量鋰電池作為RTG的供電電源，能夠?qū)⒒仞伒膭?shì)能充分回收利用，小功率柴油機(jī)作為鋰電池的充電電源，無需連續(xù)工作，使系統(tǒng)綜合性能最優(yōu)，具有一定的新穎性和很好的發(fā)展前景。

混合動(dòng)力RTG；超級(jí)電容；鋰電池；節(jié)能減排

隨著全球燃油價(jià)格飛漲及對(duì)節(jié)能減排要求的不斷提高，柴油驅(qū)動(dòng)的RTG進(jìn)行改造勢(shì)在必行。電力驅(qū)動(dòng)RTG技術(shù)的發(fā)展解決了在節(jié)能和環(huán)保方面的問題，但仍存在初期投資較大、堆場(chǎng)要求規(guī)則、碼頭電力要求充裕，且喪失了RTG轉(zhuǎn)場(chǎng)的靈活性的最大優(yōu)勢(shì)。

混合動(dòng)力技術(shù)的出現(xiàn)為傳統(tǒng)RTG的改造提供了一種新的選擇。應(yīng)用混合動(dòng)力技術(shù)只需對(duì)設(shè)備本身進(jìn)行改造，就可達(dá)到節(jié)能減排的目的，而且最大程度地保留了RTG轉(zhuǎn)場(chǎng)靈活的優(yōu)點(diǎn)[1]。目前集裝箱行業(yè)，主要采用以下三種混合動(dòng)力RTG節(jié)能改造方案：(1)超級(jí)電容混合動(dòng)力RTG；(2)小容量鋰電池混合動(dòng)力RTG；(3)大容量鋰電池的混合動(dòng)力RTG。為了方便混合動(dòng)力系統(tǒng)的分析和設(shè)計(jì)，本文分析了RTG系統(tǒng)的功率需求。而且，從系統(tǒng)技術(shù)原理、動(dòng)力參數(shù)和效益等方面，對(duì)超級(jí)電容和鋰電池作為輔助動(dòng)力源和以大功率鋰電池作為主動(dòng)力源的三種混合動(dòng)力RTG方案進(jìn)行了對(duì)比分析。在滿足基本需求時(shí)，大功率鋰電池混合動(dòng)力RTG，進(jìn)一步優(yōu)化了設(shè)備的選型，降低了RTG對(duì)燃油消耗和依賴，減少了大功率柴油機(jī)對(duì)環(huán)境的污染，使系統(tǒng)綜合性能達(dá)到最優(yōu)，對(duì)于大量使用RTG的集裝箱碼頭具有重要意義。

1 RTG功率需求分析

對(duì)于混合動(dòng)力RTG系統(tǒng)，如何選擇柴油發(fā)電機(jī)組的容量和儲(chǔ)能元件及容量已成為節(jié)能降耗和降低成本的關(guān)鍵。而混合動(dòng)力RTG的功率需求對(duì)系統(tǒng)的選型和計(jì)算至關(guān)重要。選用RTG主要性能參數(shù)如表1所示。

(1)RTG最大功率需求計(jì)算

起升滿載時(shí)速度：

起升滿載勻速上升時(shí)負(fù)載：

起升加速時(shí)負(fù)載：

大車行走所需功率：

小車行走所需功率：

一般來講，起升和大車不會(huì)同時(shí)運(yùn)行。而且，根據(jù)電源側(cè)到負(fù)載側(cè)的能量傳遞效率為59%～86%[2]，取其平均值h=73%，得到電源側(cè)最大的供電功率：

(2)回饋能量的計(jì)算

吊箱后最大行程：

根據(jù)電源側(cè)到負(fù)載側(cè)的能量傳遞效率為63%～74%[2]，取回饋時(shí)能量傳輸?shù)男蕿閔=70%，得到可回收滿箱重力勢(shì)能：

RTG最大回饋功率需求：

起升變頻器典型功率如圖1所示，最大輸出功率為211 kW，最大回饋功率為140 kW；從圖1中可知，實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與起升機(jī)構(gòu)的功率需求理論計(jì)算基本吻合。

圖1 典型起升變頻器功率曲線

2 三種典型混合動(dòng)力RTG比較分析

2.1 超級(jí)電容混合動(dòng)力RTG

2.1.1 超級(jí)電容混合動(dòng)力RTG技術(shù)原理

與常規(guī)RTG相比，上海港基于超級(jí)電容混合動(dòng)力RTG增加了一套超級(jí)電容裝置和雙向DC/DC控制單元。其結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。其中，超級(jí)電容用于功率補(bǔ)償和能量?jī)?chǔ)存，減小柴油發(fā)電機(jī)組的功率到225 kW。雙向DC/DC變換器控制能量的雙向流動(dòng)并提高超級(jí)電容的有效儲(chǔ)能。超級(jí)電容的能量與電壓差有關(guān)，如果它直接并到直流母線上，電壓變化范圍比較窄，放電深度淺，超級(jí)電容的有效儲(chǔ)能低。

圖2 RTG超級(jí)電容混合供電的電路結(jié)構(gòu)圖

2.1.2 超級(jí)電容混合動(dòng)力RTG動(dòng)力系統(tǒng)主要參數(shù)

超級(jí)電容組主要用于重物下放時(shí)的能量的回收，根據(jù)其選型的依據(jù)[3－6]得到：

(1)根據(jù)制動(dòng)時(shí)功率約束，得到Pc=UcIc≥mgv h=151 kW，取超級(jí)電容器的功率大小為160 kW。又因?yàn)殡p向DC/DC變換器的額定工作電流Icmax=500 A，所以有Ucmin=320 V。

(2)根據(jù)能量平衡約束，得到電容容量C≥2mgh h/(Ucmax2－Ucmin2)。分析上式可看出電容最大電壓和電容大小成反比，而且Ucmax越大，電容的利用率越高，成本越低，所以柴油發(fā)電機(jī)組電壓取440 V，母線電壓變化范圍為590～630 V，此處取Ucmax=600 V，最終得到C=42 F。

因此，超級(jí)電容主要參數(shù)：160 kW，42 F，600 V(600 V～320 V)；考慮一定的裕量，雙向DC/DC變換器功率取為200 kW；根據(jù)供電電源的最大功率為363 kW，得到柴油發(fā)電機(jī)組配置為225 kW，440 V。

2.1.3 超級(jí)電容混合動(dòng)力RTG效益評(píng)估

對(duì)上海港已投入應(yīng)用的超級(jí)電容混合動(dòng)力RTG與常規(guī)RTG進(jìn)行能耗對(duì)比測(cè)試。測(cè)試結(jié)果表明，超級(jí)電容混合動(dòng)力供電RTG能夠節(jié)省約30%左右的燃油，取得較好的節(jié)能效果。而且隨著柴油機(jī)的容量的減小，經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試柴油發(fā)電機(jī)工作噪聲從95dB減小到72bB，噪聲明顯下降，同時(shí)尾氣排放也減少40%[7]。

超容混合動(dòng)力系統(tǒng)增加的設(shè)備為超級(jí)電容組、225 kW的柴油發(fā)電機(jī)組和雙向DC/DC變換器。其中超級(jí)電容組25萬元，225 kW的柴油發(fā)電機(jī)組13萬元，雙向DC/DC變換器25萬元，考慮電控裝置及20%的工本費(fèi)，工程改造總投資合計(jì)85萬元。

其節(jié)油效果可達(dá)30%，按照每臺(tái)常規(guī)RTG一年操作12萬集裝箱，每箱平均油耗按0.87 L計(jì)，一年每臺(tái)節(jié)輪胎吊節(jié)省燃油約3.2萬升，按每升燃油7.4元計(jì)，一年每臺(tái)節(jié)能輪胎吊節(jié)省燃油費(fèi)用約32 000×7.4=24萬元，經(jīng)濟(jì)效益明顯。投資回收期為3.5年，與常規(guī)RTG相比，經(jīng)濟(jì)收益有所提高。

2.2 小容量鋰電的混合動(dòng)力RTG

2.2.1 小容量鋰電混合動(dòng)力RTG技術(shù)原理

相對(duì)于超級(jí)電容系統(tǒng)，日本住友的小容量鋰電混合動(dòng)力RTG，輔助電源用可提供更大功率的鋰電池組代替超級(jí)電容組，柴油發(fā)電機(jī)組降低到130 kW，其他結(jié)構(gòu)不變。相對(duì)于超級(jí)電容，鋰電池具有儲(chǔ)存容量大、放電電流穩(wěn)定、無污染及安全性能好等優(yōu)點(diǎn)。充電放電控制器(DC/DC變換器)，他控制著能量?jī)?chǔ)蓄單元的充電和放電。它可以根據(jù)起升電機(jī)所需要能量，自動(dòng)調(diào)節(jié)能量?jī)?chǔ)蓄單元的輸出功率，柴油發(fā)電機(jī)組只需負(fù)擔(dān)小部分負(fù)載電流，所以即使處于最大負(fù)載時(shí)，發(fā)電機(jī)組的輸出功率仍可保持一定，這樣就可以大幅減小柴油機(jī)的功率。其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示。

2.2.2 小容量鋰電混合動(dòng)力RTG動(dòng)力系統(tǒng)主要參數(shù)

日本住友的混合動(dòng)力，為了在切斷電源裝置或電源裝置故障時(shí)，能將額定負(fù)載吊至起升上限并且能夠安全回到維修廠，柴油發(fā)電機(jī)組的最小功率為130 kW。為了滿足峰值功率需求，兩者之和大于等于最大需求功率，選定鋰電池的功率為250 kW左右。采用20個(gè)(28.8 V/30 Ah)LIM 30H.8S電池模塊串聯(lián)，得到(480 V/30 Ah，15 kWh)的電池組，如果以20 C放電，電池電流為600 A，能夠滿足峰值功率需求?？紤]一定余量DC/DC變換器功率等級(jí)取為300 kW。

圖3 日本住友混合動(dòng)力RTG系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

小容量鋰電池主要也是吸收負(fù)載下放的能量，鋰電池儲(chǔ)能：E=15 kWh=54×106J可快速吸收一次重物下降所回饋的能量。

2.2.3 小容量鋰電混合動(dòng)力RTG效益評(píng)估

同超級(jí)電容系統(tǒng)的測(cè)試方法，對(duì)搭載了鋰電池混合動(dòng)力的RTG進(jìn)行測(cè)試，平均燃料節(jié)省率在58%左右。柴油發(fā)電機(jī)組的進(jìn)一步減小，系統(tǒng)廢氣排放量較超級(jí)電容系統(tǒng)進(jìn)一步減少[1]。

小容量鋰電池混合動(dòng)力系統(tǒng)增加的設(shè)備為鋰電池組、130 kW的柴油發(fā)電機(jī)組和雙向DC/DC變換器。其中鋰電池組20萬元，130 kW的柴油發(fā)電機(jī)組9萬元，雙向DC/DC變換器35萬元，考慮電控裝置及工本費(fèi)，工程改造總投資合計(jì)90萬元。

其節(jié)油效果可達(dá)60%，按照超級(jí)電容混合動(dòng)力系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行計(jì)算，一年每臺(tái)節(jié)能輪胎吊節(jié)省燃油費(fèi)用約63 000× 7.4=47萬元，經(jīng)濟(jì)效益明顯。投資回收期為1.9年，相對(duì)于上海港的超級(jí)電容混合動(dòng)力RTG系統(tǒng)，具有更可觀的經(jīng)濟(jì)收益。

2.3 大容量鋰電的混合動(dòng)力RTG

2.3.1 大容量鋰電混合動(dòng)力RTG技術(shù)原理

相對(duì)于住友鋰電的混合動(dòng)力系統(tǒng)，混合電源系統(tǒng)以大容量鋰電池組作為主動(dòng)力源。因?yàn)榇笕萘夸囯姵氐碾妷撼浞烹娺^程中基本穩(wěn)定，電壓和功率等級(jí)完全滿足并網(wǎng)的需求，直接給變頻驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)提供工作電源。進(jìn)一步將柴油發(fā)電機(jī)組的功率優(yōu)化降低到50 kW。其系統(tǒng)組成如圖4所示。正常運(yùn)行狀態(tài)下，小功率柴電機(jī)組不工作，直接由動(dòng)力電池驅(qū)動(dòng)RTG。當(dāng)電池電量降低至一定范圍(50%)，鋰電池的充電電源為50 kW柴油發(fā)電機(jī)組或外部電源，與此同時(shí)勢(shì)能也可回饋至鋰電池組。即滿足機(jī)構(gòu)運(yùn)行的峰值功率需求和穩(wěn)態(tài)運(yùn)行的功率需求，又能充分吸收設(shè)備的勢(shì)能回饋[8]。

2.3.2 大容量鋰電混合動(dòng)力RTG動(dòng)力系統(tǒng)主要參數(shù)

(1)動(dòng)力離子鋰電池

傳統(tǒng)RTG負(fù)荷低于20%的運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間達(dá)75%～80%，其平均功率僅有60～80 kW[9]。動(dòng)力電池作為主電源，其容量能夠滿足RTG連續(xù)運(yùn)行2 h的用電量，因此鋰電池的配置容量約120～160 kWh。

圖4 鋰電池RTG動(dòng)力系統(tǒng)組成框圖

400 V主動(dòng)力源驅(qū)動(dòng)器的母線工作電壓為510～740 V[10]，為了在母排電壓承受范圍內(nèi)，與母線并聯(lián)的鋰電池電壓范圍510～740 V，額定電壓在650 V左右。因此，為了滿足RTG鋰電池電壓以及容量，對(duì)額定容量50 Ah，額定電壓3.2 V(充放電截止電壓3.6 V/2.5 V)的單體電池進(jìn)行4串4并組成12.8 V/200 Ah的電池模塊，50個(gè)電池模塊串聯(lián)成為640 V/200 Ah(500～720 V)的電池組。

(2)柴油發(fā)電機(jī)組

選取50 kW，輸出電壓440 V，電流90 A的柴油發(fā)電機(jī)組。輔助柴電機(jī)組主要滿足對(duì)動(dòng)力電池補(bǔ)充電能的要求，為了進(jìn)一步優(yōu)化，選用50 kW柴油發(fā)電機(jī)組[9]，其可覆蓋平均功率，基本能滿足使用。柴油發(fā)電機(jī)組輸出電壓400 V/440 V，考慮到充電電壓應(yīng)該比電池電壓稍高，所以柴電機(jī)組額定電壓選用440 V。其母線直流電壓為：

(3)鋰電池實(shí)驗(yàn)測(cè)試

鋰電池的最大充放電電流：

滿載情況下，僅起升電機(jī)工作，鋰電的最大供電功率：

RTG最大放電電流需求：

混合動(dòng)力階段，存在柴電機(jī)組與回饋能量同時(shí)充電的狀態(tài)，此時(shí)RTG最大充電電流：

電池電流典型需求情況如圖5所示，最大放電約為430 A，最大充電電流約為300 A，與理論計(jì)算基本吻合。RTG最大充電電流需求為314A，鋰電池允許恒流充電電流為2C (400 A)，完全滿足RTG回收能量需求。RTG最大放電電流需求為464 A，鋰電池允許持續(xù)放電電流為4 C(800 A)，滿足最大功率所需放電電流。

鋰電池端電壓變化：

電池電壓典型需求情況如圖6所示。經(jīng)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)得到，在1 C的充電電流內(nèi)，單體電壓穩(wěn)定在3.2～3.4 V左右，在2C的放電電流內(nèi)，單體電壓穩(wěn)定在3.1～3.4 V左右，則最大充電電流為314A，最大放電電流為464 A時(shí)的電壓數(shù)據(jù)理論值與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)基本吻合。

圖5 RTG鋰電池典型工況電流波形

圖6 RTG鋰電池典型工況電壓波形

2.3.3 大容量鋰電混合動(dòng)力RTG效益評(píng)估

同上述兩種方案測(cè)量方法相同，可計(jì)算得到上海港大功率鋰電池混合動(dòng)力RTG系統(tǒng)測(cè)試各工況的總油耗為60.81 L，換算后各工況的總耗電量為57.54 kWh。以此得出柴電機(jī)組的油電轉(zhuǎn)換率為3.47 kWh/L，本次測(cè)試的總電能換算成油耗為16.58 L通過改造前后兩次相同典型工況下的油耗和電耗測(cè)試數(shù)據(jù)，可得出平均節(jié)油率為72.7%。50 kW的柴油發(fā)電機(jī)組用的比較少，廢氣排放量很少，幾乎為零。其節(jié)能減排效果比上兩種方案都要好[11]。

大功率鋰電池混合動(dòng)力系統(tǒng)增加的設(shè)備為鋰電池組、50 kW的柴油發(fā)電機(jī)組。其中鋰電池組80萬元，50 kW的柴油發(fā)電機(jī)組5萬元，電控設(shè)備以及20%工本費(fèi)用，工程改造總投資合計(jì)120萬元。

其平均節(jié)油效果可達(dá)73%，按照每臺(tái)常規(guī)RTG一年操作12萬集裝箱，每箱平均油耗按0.87 L計(jì)，一年每臺(tái)節(jié)能輪胎吊節(jié)省燃油約7.6萬升，按每升燃油7.4元計(jì)，一年每臺(tái)節(jié)能輪胎吊能節(jié)省燃油費(fèi)用約76 000×7.4=56萬元，相比前兩種經(jīng)濟(jì)效益更明顯。投資回收期為2.2年，而鋰電池的壽命為5年，并且隨著鋰電池技術(shù)的成熟，鋰電池的成本會(huì)下降，具有很好的經(jīng)濟(jì)收益和前景[8]。

2.4 方案的選擇

三種方案的綜合性能的比較見表2所示。方案1和方案2以超級(jí)電容和鋰電池作為輔助動(dòng)力源的混合動(dòng)力RTG，它們并未擺脫傳統(tǒng)RTG，以柴油發(fā)電機(jī)組為動(dòng)力供給的框架，只是將柴油發(fā)電機(jī)組從440 kW減小到225 kW或130 kW，并以鋰電池或超級(jí)電容，作為輔助供電和勢(shì)能回收裝置，節(jié)能效果未達(dá)最大化。方案2和方案3在投資回報(bào)期相近的條件下，方案3在滿足系統(tǒng)性能的條件下，與方案2相比較，進(jìn)一步優(yōu)化了柴油發(fā)電機(jī)組和鋰電池組選型，使控制策略更加簡(jiǎn)單，節(jié)能減排效果更好，因此大功率鋰電池混合動(dòng)力RTG是最佳的方案選擇。而且隨著鋰電池的發(fā)展，鋰電池的性能不斷提高，成本不斷降低，基于鋰電池的混合動(dòng)力RTG存在良好的發(fā)展前景。

3 總結(jié)與展望

隨著新能源及鋰電池的開發(fā)，混合動(dòng)力RTG有很大的應(yīng)用前景。為了進(jìn)一步優(yōu)化系統(tǒng)，可以考慮天然氣、太陽能等新能源，如鋰電池-LNG混合動(dòng)力RTG；也可以開發(fā)鋰電池新技術(shù)。比如一種新儲(chǔ)能設(shè)備又稱石墨烯表面鋰離子交換電池，其功率密度比商業(yè)鋰電池高100倍，比超級(jí)電容高10倍，很短時(shí)間充電；儲(chǔ)能密度也高，與鋰電池相當(dāng)，比超級(jí)電容高10倍，存儲(chǔ)能量多。鋰離子新技術(shù)對(duì)混合動(dòng)力RTG開發(fā)也至關(guān)重要，基于混合動(dòng)力RTG有很好的應(yīng)用前景。

[1]陳光.基于鋰電池的混合動(dòng)力RTG[J].港口裝卸，2011(6)：35-36.

[2]程新風(fēng)，宋志國.輪胎式集裝箱門式起重機(jī)節(jié)能研究[J].水運(yùn)科學(xué)研究，2006(12)：60-63.

[3]GRBOVIC P J，DELARUE P，MOIGNE P L，et al.Modeling and control of the ultracapacitor-based regenerative controlled electric drives[J].IEEE Trans.Industrial Electronics，2011，58(8)：3471-348.

[4]KIM SM，SUL SK.Control of rubber tyred gantry cranewith energy storage based on supercapacitor bank[J].IEEE Transactions on Power Electronics，2006(5)：1420-1427.

[5]金毅.超級(jí)電容系統(tǒng)輪胎吊(HYBRID RTG)在洋山深水港區(qū)三期工程的運(yùn)用[J].港口科技，2013(6)：1-5.

[6]常春賀.超級(jí)電容器在高效節(jié)能輪胎吊中的應(yīng)用研究[J].港口科技，2012(9)：198-200.

[7]周艷華，施思明，孫金余.混合動(dòng)力RTG節(jié)能技術(shù)[J].港口裝卸，2008(5)：31-33.

[8]袁峰.鋰電池動(dòng)力系統(tǒng)在輪胎吊產(chǎn)品中的應(yīng)用[J].交通節(jié)能與環(huán)保，2012(2)：49-50.

[9]於斌，朱莉軍.鋰電池在輪胎式集裝箱起重機(jī)上的應(yīng)用[J].起重運(yùn)輸機(jī)械，2011(S1)：76-79.

[10]龔水遷.AFE在港口起重機(jī)中的應(yīng)用[J].發(fā)電技術(shù)，2010(4)：96-98.

[11]卓方青.輪胎式集裝箱龍門起重機(jī)采用鋰電池供電節(jié)能改造項(xiàng)目[J].交通節(jié)能與環(huán)保，2013(1)：58-61.

Comparativeanalysisof three typicalhybrid RTGs

HUANG Ting1，XU Lei2，HUANG Xi-xia1，NIUWang-qiang1
(1.ShanghaiMaritime University，Shanghai201306，China; 2.ShanghaiZhenhua Heavy Industries(group)Co.，Ltd，Shanghai200125，China)

W ith the development of supercapacitors，lithium batteries and other energy storage system s，the hybrid RTG energy saving technology becomes possible.The power demand of conventional RTG system was analyzed. The hybrid RTG schemes using super capacitor and lithium battery as auxiliary power source and high power lithium battery as themain source were compared from technical principle，dynam ic parameters and system efficiency.It shows that the large capacity lithium battery was used as power supply of RTG to feedback the potential energy of fully recycling;the low power diesel engine as lithium battery charging power supply doesn't need to work continuously，making the system have the best com prehensive performance and certain novelty and good prospects.

hybrid RTG;supercapacitor;lithium battery;energy-saving and em ission reduction

TM 912

A

1002-087X(2016)07-1399-04

2015-12-03

國家自然科學(xué)基金(51209134)；上海市科委科技創(chuàng)新行動(dòng)計(jì)劃項(xiàng)目(13dz1202800)

黃婷(1990—)，女，河北省人，碩士生，主要研究方向?yàn)榛旌蟿?dòng)力輪胎式起重機(jī)技術(shù)。