純電動(dòng)門式起重機(jī)制動(dòng)回收系統(tǒng)與轉(zhuǎn)場(chǎng)電源協(xié)調(diào)控制策略研究

楊士慧，徐向前，周 哲，才志遠(yuǎn)，葛 菁

(先進(jìn)輸電技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(全球能源互聯(lián)網(wǎng)研究院有限公司)，北京 昌平 102209)

0 引言

中國(guó)作為世界上最大的海運(yùn)國(guó)，港口數(shù)量較多，也是電能替代的重要領(lǐng)域，港口碼頭的污染和能耗問(wèn)題更加突出。門式起重機(jī)(rubber tyred gantry crane，RTG)是碼頭堆場(chǎng)中機(jī)動(dòng)性好、應(yīng)用廣泛的集裝箱起重機(jī)，具有轉(zhuǎn)場(chǎng)靈活，使用效率等優(yōu)點(diǎn)。目前，全球經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，石油等化石能源需求的增長(zhǎng)，油價(jià)不斷上漲，不僅給集裝箱碼頭帶來(lái)了嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)壓力，同時(shí)也不利于環(huán)境治理，對(duì)日益嚴(yán)格的環(huán)保要求有一定距離。因此，為進(jìn)一步減少城市污染物排放，以港口智能用電實(shí)用化技術(shù)探索實(shí)踐“以電代油”的新模式，研究純電動(dòng)零排放RTG，實(shí)現(xiàn)港口用戶與電網(wǎng)雙向互動(dòng)，降低集裝箱碼頭運(yùn)營(yíng)成本，節(jié)能減排，對(duì)港口智能電網(wǎng)建設(shè)具有重要意義[1-4]。

針對(duì)純電動(dòng)零排放RTG制動(dòng)回收系統(tǒng)與轉(zhuǎn)場(chǎng)電源協(xié)調(diào)控制策略方法，本文給出RTG系統(tǒng)制動(dòng)回收系統(tǒng)與轉(zhuǎn)場(chǎng)電源的協(xié)調(diào)工作模式；分析市電、鋰電池儲(chǔ)能以及超級(jí)電容儲(chǔ)能的協(xié)調(diào)控制策略；應(yīng)用仿真軟件建立RTG仿真模型，并對(duì)其進(jìn)行驗(yàn)證；同時(shí)，開展經(jīng)濟(jì)性評(píng)估，并驗(yàn)證其經(jīng)濟(jì)有效性。

1 純電動(dòng)RTG制動(dòng)回收系統(tǒng)和轉(zhuǎn)場(chǎng)電源設(shè)計(jì)

儲(chǔ)能裝置采用超級(jí)電容，并聯(lián)在RTG的直流母排上，再由變頻機(jī)構(gòu)將直流母排上的直流轉(zhuǎn)換成頻率和電壓可控的交流電源,來(lái)控制驅(qū)動(dòng)電機(jī)運(yùn)行。超級(jí)電容RTG利用了超級(jí)電容大電流充放電的特點(diǎn),有效地儲(chǔ)存集裝箱下降時(shí)的位能,供起升加速負(fù)載使用。

如圖1所示，三相交流電經(jīng)過(guò)整流器，轉(zhuǎn)換成直流電源；再通過(guò)逆變器，將直流轉(zhuǎn)換成電壓、頻率可控的交流電源，用于驅(qū)動(dòng)起升、大車和小車機(jī)構(gòu)。超級(jí)電容并聯(lián)在直流母線上，根據(jù)負(fù)載輸出電流的變化率，利用超級(jí)電容及時(shí)地補(bǔ)充和回收能量。當(dāng)負(fù)載輸出電流快速增大時(shí)，超級(jí)電容放電，提供輸出電流；而當(dāng)RTG的工作機(jī)構(gòu)處于再生反饋狀態(tài)時(shí)，負(fù)載輸出電流繼續(xù)快速減小，直至負(fù)載電動(dòng)機(jī)進(jìn)入發(fā)電機(jī)工作模式，機(jī)構(gòu)會(huì)將能量反饋到直流總線上，此時(shí)超級(jí)電容進(jìn)入充電狀態(tài)。RTG配置的超級(jí)電容充放電電流很大，而且能在短時(shí)間內(nèi)大功率儲(chǔ)存能量，因此所有機(jī)構(gòu)的反饋能量都將被超級(jí)電容吸收。圖2為超級(jí)電容RTG儲(chǔ)能原理[3-5]。

圖1 制動(dòng)回收系統(tǒng)超級(jí)電容RTG系統(tǒng)配置圖Fig.1 Recycling braking system configuration of RTG with super capacitor

圖2 制動(dòng)回收系統(tǒng)超級(jí)電容儲(chǔ)能原理圖Fig.2 Principle diagram of super capacitor energy storage in recycling braking system

在超級(jí)電容充電過(guò)程中，Q1進(jìn)行脈寬調(diào)制(pulse width modulation,PWM)通斷控制，Q2不導(dǎo)通。在Q1導(dǎo)通期間，超級(jí)電容充電電流增加，平波電抗器L吸收能量，阻止電流過(guò)快上升。Q1關(guān)斷期間，超級(jí)電容充電電流減小，平波電抗器L釋放能量，給Q2反并聯(lián)的二極管續(xù)流，阻止電流下降過(guò)快。因此，其能夠達(dá)到給超級(jí)電容平穩(wěn)充電的目的。

在超級(jí)電容放電過(guò)程中，Q2進(jìn)行PWM通斷控制，Q1不導(dǎo)通。在Q2導(dǎo)通期間，超級(jí)電容放電電流增加，平波電抗器L釋放能量，阻止電流下降過(guò)快。Q2關(guān)斷期間，超級(jí)電容充電電流增加，平波電抗器L吸收能量，阻止電流過(guò)快上升。因此，其能夠達(dá)到給超級(jí)電容平穩(wěn)放電的目的。

2 純電動(dòng)RTG儲(chǔ)能配置方案

本文所采用的“市電+儲(chǔ)能”的供電方式，將RTG負(fù)載下降過(guò)程中回饋的能量用儲(chǔ)能系統(tǒng)儲(chǔ)存起來(lái)；在起重機(jī)負(fù)載上升運(yùn)行等能耗高峰階段，超級(jí)電容釋放能量，實(shí)現(xiàn)電能的轉(zhuǎn)換存儲(chǔ)，達(dá)到節(jié)能降低油耗的目的。在起重機(jī)整個(gè)工作過(guò)程中，供電電網(wǎng)狀態(tài)平穩(wěn)，有利于電氣設(shè)備的高效、長(zhǎng)時(shí)工作。

若要使系統(tǒng)能夠安全、穩(wěn)定、有效地工作，超級(jí)電容的選配是關(guān)鍵[4]。目前，零排放純電動(dòng)RTG制動(dòng)回收系統(tǒng)儲(chǔ)能配置方案采用的是混合動(dòng)力式RTG普遍采用的功率型儲(chǔ)能配置方案——超級(jí)電容器。

在對(duì)超級(jí)電容器組進(jìn)行放電時(shí)，放電過(guò)程是充電的逆過(guò)程[5]。其放電特性和傳統(tǒng)電容器輸出特性類似，當(dāng)外接電阻負(fù)載時(shí)，電壓變化是呈指數(shù)下降的。由于負(fù)載等效電阻通常小于超級(jí)電容器內(nèi)部并聯(lián)等效電阻R，故在分析超級(jí)電容器放電過(guò)程時(shí)可忽略R的作用，有

U(t)=Uc(t)-I(t)R

(1)

采用同等型號(hào)的超級(jí)電容串并聯(lián)的形式構(gòu)成超級(jí)電容組[6-7]。假設(shè)所使用的超級(jí)電容組是由m個(gè)相同的電容串聯(lián)成一條支路以后，再由n條這樣相同的支路并聯(lián)組成的，那么超級(jí)電容組的容量為

(2)

式中：Ctotal為超級(jí)電容組的總?cè)萘浚現(xiàn)；Ccell為單體超級(jí)電容容量，F(xiàn)。

等效串聯(lián)內(nèi)阻為

(3)

式中：Rtotal為超級(jí)電容組的等效串聯(lián)電阻，Ω；Rcell為單體超級(jí)電容的等效串聯(lián)電阻，Ω。

工作電壓為

Uw-total=Uwn

(4)

式中：Uw-total為超級(jí)電容組總的工作電壓，V；Uw為單體超級(jí)電容工作電壓，V。

容許電流為

Ic-total=mIc

(5)

式中：Ic-total為超級(jí)電容組總的工作電流，A；Ic為單體超級(jí)電容工作電流，A。

根據(jù)常規(guī)港口的典型RTG設(shè)計(jì)儲(chǔ)能配置方案，給出典型RTG起重量為40 t；起升速度25 m/min；起升高度為18.2 m，傳動(dòng)效率為0.92。吊具下降時(shí)，系統(tǒng)能量傳輸?shù)男蕿?.74，重力加速度9.8 m/s2，充放電電流為I，超級(jí)電容容量為C。

根據(jù)功率約束，電流為500 A。當(dāng)起升機(jī)構(gòu)和小車運(yùn)行機(jī)構(gòu)同時(shí)啟動(dòng)時(shí)，RTG所需功率最大，為380 kW+60 kW=440 kW。一般情況下，超級(jí)電容儲(chǔ)能裝置的電壓工作在350 V，且可于200～450 V變化。此處以350 V電壓為基準(zhǔn)進(jìn)行計(jì)算。

考慮可靠性，超級(jí)電容容量按照起升機(jī)構(gòu)、小車、大車的運(yùn)行需求，回饋時(shí)間按45 s計(jì)算，則吸收能量計(jì)算為60×4 kJ+380×2 kJ+190 kW×45 s=9 550 kJ。

釋放出能計(jì)算為220 kW×45 s=9 550 kJ。釋放出能9 550 kJ換算為0.5C(350×350-200×200)=41 250C，按釋放儲(chǔ)能計(jì)算，超級(jí)電容容量選擇為C=231 F。

按吸收能量要求，可有吸收儲(chǔ)能為9 550 kJ=0.5C(450×450-350×350)=40 000C。按吸收儲(chǔ)能計(jì)算，超級(jí)電容容量選擇為C=238 F。

通過(guò)理論計(jì)算，超級(jí)電容系統(tǒng)容量不低于238 F，標(biāo)稱電壓不低于450 V。

某型號(hào)超級(jí)電容標(biāo)準(zhǔn)單體型號(hào)參數(shù)如表1所示。

若按標(biāo)準(zhǔn)的單體超級(jí)電容2.7 V串聯(lián)，電壓達(dá)到450 V，需要的單體個(gè)數(shù)為450/2.7=167只，電容為2 400 F/167≈14 F。因此，采用18組167只超級(jí)電容標(biāo)準(zhǔn)單體串聯(lián)，再進(jìn)行并聯(lián)后，可得到252 F/450 V的儲(chǔ)能裝置，可以滿足系統(tǒng)要求。

表1 超級(jí)電容標(biāo)準(zhǔn)單體型號(hào)參數(shù)Table 1 Standard monomer type parameter of super capacitance

3 純電動(dòng)RTG中制動(dòng)回收系統(tǒng)與轉(zhuǎn)場(chǎng)電源協(xié)調(diào)控制策略

3.1 制動(dòng)回收系統(tǒng)與轉(zhuǎn)場(chǎng)電源的協(xié)調(diào)控制策略

RTG采取鋰電池+超級(jí)電容+市電的供電方案。RTG系統(tǒng)在運(yùn)行時(shí)有兩種工況，分別是轉(zhuǎn)場(chǎng)工況和堆場(chǎng)工況，其控制框圖如圖3所示。

圖3 RTG制動(dòng)系統(tǒng)與轉(zhuǎn)場(chǎng)電源協(xié)調(diào)控制框圖Fig.3 Coordinated control block diagram of recycling braking system and transitions power supply

轉(zhuǎn)場(chǎng)時(shí)系統(tǒng)處于離網(wǎng)狀態(tài)，由鋰電池給RTG系統(tǒng)供電。另外，若輸出側(cè)產(chǎn)生沖擊電流，則由超級(jí)電容提供沖擊電流；若輸出側(cè)制動(dòng)時(shí)，超級(jí)電容回收能量。

堆場(chǎng)工況下，系統(tǒng)處于并網(wǎng)狀態(tài)，電網(wǎng)負(fù)責(zé)給RTG系統(tǒng)供電，同時(shí)對(duì)儲(chǔ)能系統(tǒng)充電。另外，若輸出側(cè)產(chǎn)生沖擊電流時(shí)，則由超級(jí)電容提供沖擊電流；若起升機(jī)構(gòu)下降或負(fù)載制動(dòng)時(shí)，超級(jí)電容回收能量[7]。

圖4 RTG制動(dòng)系統(tǒng)與轉(zhuǎn)場(chǎng)電源協(xié)調(diào)控制流程圖Fig.4 Coordinated control flowof recycling braking system and transitions power supply

協(xié)調(diào)控制策略控制流程如圖4所示，依據(jù)電網(wǎng)接入與否判斷工況，鋰電池儲(chǔ)能系統(tǒng)根據(jù)直流電壓情況執(zhí)行充電或放電指令。超級(jí)電容儲(chǔ)能系統(tǒng)僅控制電流，根據(jù)負(fù)載電流情況提供沖擊電流或回收制動(dòng)能量。

3.2 轉(zhuǎn)場(chǎng)電源鋰電池儲(chǔ)能單元的控制策略

轉(zhuǎn)場(chǎng)時(shí)，本文RTG系統(tǒng)使用鋰電池作為動(dòng)力源，向輪胎吊大車及整機(jī)輔助設(shè)備提供動(dòng)力，其儲(chǔ)能控制流程如圖5所示。作業(yè)和空閑時(shí)(市電狀態(tài))對(duì)鋰電池組進(jìn)行充電。轉(zhuǎn)場(chǎng)鋰電系統(tǒng)可做到市電和鋰電的無(wú)縫切換，提高了RTG因油改電而在碼頭堆場(chǎng)失去的靈活性。鋰電池儲(chǔ)能系統(tǒng)通過(guò)直流母線電壓進(jìn)行控制。

圖5 轉(zhuǎn)場(chǎng)電源鋰電池儲(chǔ)能控制流程圖Fig.5 Lithium battery energy storage control flow chart of transitions power supply

圖6 制動(dòng)回收系統(tǒng)超級(jí)電容儲(chǔ)能控制流程圖Fig.6 Super capacitor energy storage control flow chart of recycling braking system

3.3 制動(dòng)回收系統(tǒng)的控制策略

制動(dòng)回收時(shí)，本RTG系統(tǒng)通過(guò)超級(jí)電容檢測(cè)負(fù)載電流變化率的方式，控制超級(jí)電容的充電和放電，其控制流程如圖6所示。

4 零排放純電動(dòng)RTG系統(tǒng)仿真分析

4.1 仿真模型參數(shù)輸入

零排放純電動(dòng)RTG系統(tǒng)對(duì)其轉(zhuǎn)場(chǎng)過(guò)程主要工況進(jìn)行結(jié)構(gòu)和性能參數(shù)設(shè)置，并通過(guò)軟件對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行建模仿真分析。主要包括電源模塊，逆變模塊，速度、電流和電壓檢測(cè)模塊，發(fā)電機(jī)，PI控制器，鋰電池和超級(jí)電容模塊等。其能量回收仿真模型的簡(jiǎn)圖同圖1。

(1) 超級(jí)電容組

超級(jí)電容個(gè)數(shù)按照如下的計(jì)算配置，即按標(biāo)準(zhǔn)的單體超級(jí)電容2.7 V串聯(lián)，電壓達(dá)到450 V，需要的單體個(gè)數(shù)為450 V/2.7 V≈167只，電容量為2 400 F/167≈14 F。因此，采用18組167只超級(jí)電容標(biāo)準(zhǔn)單體串聯(lián)，再進(jìn)行并聯(lián)后，可得到252 F/450 V的儲(chǔ)能裝置；若未充滿的超級(jí)電容，并不影響超級(jí)電容在充放電過(guò)程中的能量輸入輸出[8-9]。

(2) 鋰電池組

此處按滿足RTG連續(xù)轉(zhuǎn)場(chǎng)1 h計(jì)算鋰電池組容量[10-13]，則鋰電池容量應(yīng)為：大車機(jī)構(gòu)額定功率×1 h=110 kW·h。按電池組電壓與直流母線電壓相同計(jì)算，即為400 V，則鋰電池容量為110 kW·h/400 V=275 A·h。令放電深度控制在80%，則鋰電池所需總?cè)萘繛?75 A·h/0.8=344 A·h。

4.2 仿真結(jié)果分析

目前，經(jīng)過(guò)建模及仿真分析[14]，RTG系統(tǒng)負(fù)載下降過(guò)程中，回饋的能量用超級(jí)電容儲(chǔ)存起來(lái)，在起重機(jī)負(fù)載上升及運(yùn)行高峰期時(shí)，超級(jí)電容再釋放能量，實(shí)現(xiàn)電能的存儲(chǔ)、轉(zhuǎn)換，以達(dá)到降低能耗的效果。鋰電池主要是作為RTG轉(zhuǎn)場(chǎng)電源，同時(shí)配合超級(jí)電容代替小柴油發(fā)電機(jī)，實(shí)現(xiàn)RTG各類工況的零排放。在RTG系統(tǒng)整個(gè)工作過(guò)程中，使發(fā)電機(jī)及供電電力電網(wǎng)平穩(wěn)運(yùn)行，也有利于電氣設(shè)備的高效、長(zhǎng)時(shí)工作。

儲(chǔ)能單元本體的仿真結(jié)果如下：超級(jí)電容放電過(guò)程中其兩端電壓由450 V逐漸下降，所儲(chǔ)存能量隨電壓的降低而降低，如圖7所示；使用雙向DC/DC將電容放電輸出電壓穩(wěn)定至690 V，接入直流母線，如圖8所示；在RTG轉(zhuǎn)場(chǎng)過(guò)程中，鋰電池向直流母線放電如圖9、10所示。

圖7 超級(jí)電容單元放電過(guò)程電壓和能量變化趨勢(shì)圖Fig.7 Variation trend of voltage and energy in discharge process of super capacitor

圖8 超級(jí)電容單元放電過(guò)程電壓變化趨勢(shì)圖Fig.8 Variation trend of voltage in discharge process of super capacitor

圖9 鋰電池單元放電過(guò)程電壓和SOC變化趨勢(shì)圖Fig.9 Variation trend of voltage and SOC in discharge process of lithium battery

圖10 鋰電池單元放電過(guò)程輸出電壓變化趨勢(shì)圖Fig.10 Variation trend of output voltage in discharge process of lithium battery

轉(zhuǎn)場(chǎng)電源大車總功率為110 kW，其啟動(dòng)功率為額定功率的2倍。通過(guò)檢測(cè)負(fù)載電流的突變，超級(jí)電容提供啟動(dòng)時(shí)的沖擊功率，同時(shí)鋰電池儲(chǔ)能單元維持直流電壓的穩(wěn)定，提供必要的功率輸出。啟動(dòng)結(jié)束后，大車平穩(wěn)運(yùn)行時(shí)，鋰電池持續(xù)提供穩(wěn)定的功率。仿真結(jié)果如圖11所示。

圖11 零排放純電動(dòng)RTG轉(zhuǎn)場(chǎng)電源動(dòng)態(tài)仿真波形圖Fig.11 Dynamic simulation waveform oftransitions power supply in zero discharge pure electric RTG

堆場(chǎng)工況下，起升機(jī)構(gòu)的總功率為190 kW，下降制動(dòng)停止時(shí)，回饋功率為額定功率的2倍。超級(jí)電容回收能量仿真結(jié)果如圖12所示。

圖12 超級(jí)電容能量回饋仿真波形Fig.12 Energy feedback simulation waveform of super capacitor

4.3 經(jīng)濟(jì)性評(píng)估

設(shè)定1臺(tái)RTG 1 a工作300 d，每天工作8 h，柴油價(jià)格在5.6元/L左右，1臺(tái)RTG在1 a內(nèi)節(jié)省的燃油資金為10.8萬(wàn)元。與購(gòu)置超級(jí)電容的成本30.6萬(wàn)元相比，在2～3 a的時(shí)間內(nèi)可以回收配置超級(jí)電容所需的成本。

RTG改造之后，從柴油能耗成本到電能耗成本由5.6元降至0.6元，降低能耗成本85%以上，還實(shí)現(xiàn)了污染零排放。同時(shí)超級(jí)電容和鋰電池成本較低，占地面積小，整體減小了整機(jī)重量，在堆場(chǎng)時(shí)，采用超級(jí)電容不僅可存儲(chǔ)電能，還能在物體下降時(shí)釋放能量收集起來(lái)，轉(zhuǎn)化為RTG需要時(shí)重新提供；在轉(zhuǎn)場(chǎng)時(shí)，采用鋰電池進(jìn)行放電，減少對(duì)市電的沖擊。

使用鋰電池組作為轉(zhuǎn)場(chǎng)電源，代替小柴油發(fā)電機(jī)，實(shí)現(xiàn)RTG各類工況的零排放。單位標(biāo)箱成本將會(huì)更低，也將不再受國(guó)際油價(jià)波動(dòng)的影響，還能減少環(huán)境污染，使尾氣排放和噪音污染大大降低。

此純電動(dòng)式RTG儲(chǔ)能配置方案，能徹底擺脫燃油的困擾，從根本上放棄燃油消耗，降低成本，節(jié)油率80%以上，單位標(biāo)箱成本在此之后可降低約70%。

5 結(jié)語(yǔ)

本文開展了純電動(dòng)RTG制動(dòng)回收系統(tǒng)和轉(zhuǎn)場(chǎng)電源設(shè)計(jì)，搭建了整流器、變頻器、儲(chǔ)能系統(tǒng)模型，建立了零排放純電動(dòng)RTG系統(tǒng)模型，提出了純電動(dòng)RTG中制動(dòng)回收系統(tǒng)與轉(zhuǎn)場(chǎng)電源協(xié)調(diào)控制策略。

最后通過(guò)軟件進(jìn)行建模仿真，驗(yàn)證了控制策略的有效性和所提出技術(shù)方案的適用性。得出仿真波形圖，通過(guò)經(jīng)濟(jì)性分析可知，零排放純電動(dòng)RTG系統(tǒng)具有節(jié)能、環(huán)保、經(jīng)濟(jì)性的特點(diǎn)。