基于鋰離子電容器的輪胎式集裝箱門式起重機(jī)能量管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

吳爾卡 肖 毅 倪松挺 陳 俠

1浙江大學(xué)杭州國(guó)際科創(chuàng)中心 杭州 311215 2寧波北侖第三集裝箱碼頭有限公司 寧波 315800

3浙江大學(xué) 杭州 310027

0 引言

隨著以碳達(dá)峰碳中和為目標(biāo)的現(xiàn)代能源生產(chǎn)、消費(fèi)體系建設(shè)的推進(jìn)，可再生能源將逐漸成為港口主要能量供應(yīng)來(lái)源，以電能替代石化能源的多種起重設(shè)備將在港口大規(guī)模覆蓋，對(duì)港口供配電系統(tǒng)設(shè)計(jì)、運(yùn)行提出了新要求。其中，輪胎式集裝箱門式起重機(jī)（以下簡(jiǎn)稱RTG）作為港口集裝箱堆場(chǎng)的主力起重裝備，市場(chǎng)占有率超過(guò)90%。傳統(tǒng)RTG采用柴油發(fā)電機(jī)組作為動(dòng)力，雖然機(jī)動(dòng)性強(qiáng)、轉(zhuǎn)場(chǎng)靈活，但同時(shí)存在運(yùn)營(yíng)成本高、噪聲大、環(huán)境污染等問(wèn)題。隨著國(guó)際油價(jià)上升和綠色港口建設(shè)的內(nèi)在需求，我國(guó)具備改造條件的集裝箱碼頭基本因地制宜，結(jié)合電纜卷筒、低架滑觸線和高架滑觸線3種不同的供電方式，實(shí)施了”油改電”工程，即采用市電取代柴油發(fā)電機(jī)組為RTG提供動(dòng)力，稱為電動(dòng)輪胎式集裝箱門式起重機(jī)（以下簡(jiǎn)稱E-RTG），極大程度解決了港口節(jié)能和環(huán)保的問(wèn)題，但卻喪失了RTG轉(zhuǎn)場(chǎng)的靈活性[1]。另一方面，RTG起升機(jī)構(gòu)在下降過(guò)程中，起升電動(dòng)機(jī)處于再生發(fā)電狀態(tài)，節(jié)能潛力巨大。目前針對(duì)勢(shì)能回饋節(jié)能技術(shù)主要有2大方向：1）能量回饋電網(wǎng)技術(shù)（AFE），采用基于三相全橋PWM的全控整流技術(shù)，將電能回饋至電網(wǎng)供其他設(shè)備使用，但對(duì)電網(wǎng)會(huì)造成有功功率沖擊及諧波污染[2，3]；2）共直流母線儲(chǔ)能技術(shù)，大多采用超級(jí)電容（EDLC）儲(chǔ)能技術(shù)，實(shí)現(xiàn)回饋能量的就地儲(chǔ)存及利用，但其能量密度低，價(jià)格昂貴，性能及市場(chǎng)表現(xiàn)不理想[4，5]。

得益于儲(chǔ)能技術(shù)的不斷發(fā)展，鋰離子電容器（LIC）這種新型電化學(xué)電容器，綜合了鋰離子電池和超級(jí)電容器的特性，具有良好的能量密度、功率密度以及循環(huán)性能。本文將采用鋰離子電容器儲(chǔ)能技術(shù)，設(shè)計(jì)面向港口E-RTG的能量管理系統(tǒng)，它集快速有功功率補(bǔ)償、再生能量回收及轉(zhuǎn)場(chǎng)多功能于一體，為上述港口電力系統(tǒng)及E-RTG所面臨的問(wèn)題提供解決思路。

1 鋰離子電容器

鋰離子電池通過(guò)鋰離子在正負(fù)極材料上可逆的嵌入與脫出反應(yīng)，以實(shí)現(xiàn)能量的儲(chǔ)存與釋放，具有較高的能量密度（150～300 Wh/kg），但因電化學(xué)反應(yīng)速率慢且伴隨正負(fù)極材料的物相變化，功率密度較低（＜1 kW/kg），循環(huán)壽命并不理想[6]。超級(jí)電容基于靜電吸附原理和雙電層理論，通過(guò)在電極與電解液界面形成雙電層結(jié)構(gòu)來(lái)儲(chǔ)存能量。由于離子在電解液和電極表面的遷移速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于電化學(xué)反應(yīng)速度，超級(jí)電容具有優(yōu)異的功率（10 kW/kg）和循環(huán)（100萬(wàn)次）性能，而能量密度較低，通常小于10 Wh/kg。

鋰離子電容器通常由電池型負(fù)極材料、電容型正極材料及含鋰鹽的有機(jī)電解液組成，是一種介于鋰離子電池和超級(jí)電容器之間的新型儲(chǔ)能器件[7]。在充電過(guò)程中，電解液中的Li+在電勢(shì)差的驅(qū)動(dòng)下嵌入電池型負(fù)極材料中，而電解液中的陰離子通過(guò)靜電吸附在電容型正極材料與電解液之間形成雙電層。在放電過(guò)程中，Li+從電池型負(fù)極材料中脫出，同時(shí)陰離子從電容型正極材料表面脫附進(jìn)入電解液。因此，鋰離子電容器引入了正極材料的靜電表面吸/脫附過(guò)程以及負(fù)極材料的法拉第過(guò)程，使其繼承了超級(jí)電容的高功率密度和長(zhǎng)循環(huán)壽命的特點(diǎn)，并兼顧了鋰離子電池的較高能量密度的特點(diǎn)。目前商用鋰離子電容器能量密度、功率密度、循環(huán)壽命分別為50 Wh/kg、10 kW/kg、5萬(wàn)次，特別適用于機(jī)械能量回收等秒級(jí)和分鐘級(jí)應(yīng)用需求，應(yīng)用前景廣闊。

2 E-RTG能量管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)與控制策略

2.1 E-RTG負(fù)荷特性及功率、能量需求分析

E-RTG起升高度高，速度快，動(dòng)作頻繁，屬于沖擊性集群負(fù)載，其負(fù)荷特性包括有功沖擊、無(wú)功沖擊、諧波電流與簡(jiǎn)諧波電流。其額定起重量為40.6 t，起升高度為15.2 m，起升速度為23 m/s，年均處理10萬(wàn)標(biāo)箱以上。根據(jù)某集裝箱碼頭公司E-RTG運(yùn)行測(cè)試數(shù)據(jù)，對(duì)能量管理系統(tǒng)能量與功率需求進(jìn)行分析，測(cè)試集裝箱質(zhì)量為38 t，起升高度為15.2 m，額定起升速度為23 m/min，測(cè)試儀器為Fluke NORMA 6004+便攜式高帶寬精密功率分析儀。如圖1所示，E-RTG功率曲線從左至右分別對(duì)應(yīng)①空吊具下降→②帶箱起升→③帶箱下降→④帶箱起升→⑤帶箱下降→⑥空吊具上升等6個(gè)工作過(guò)程，對(duì)各部分積分可得對(duì)應(yīng)工作過(guò)程消耗或回收的能量。結(jié)果表明，帶箱起升過(guò)程峰值功率為332 kW，帶箱下降（再生能量回收）過(guò)程峰值功率為-237 kW，可回收電量1.6 kWh。

“油改電”工程滑觸線通常沿堆場(chǎng)橫向布置，線長(zhǎng)1 ～2 km，橫貫5～6個(gè)堆場(chǎng)，E-RTG可沿滑觸線直線移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)同一車道不同堆場(chǎng)的作業(yè)覆蓋。當(dāng)E-RTG需轉(zhuǎn)場(chǎng)至不同車道時(shí)，通常需改由柴油發(fā)電機(jī)組供電進(jìn)行轉(zhuǎn)場(chǎng)，操作繁瑣且不環(huán)保；而堆場(chǎng)縱向距離較短，基本小于500 m。E-RTG大車行走功率實(shí)時(shí)曲線如圖2所示，期間E-ERG行走100 m，平均功率為85 kW，峰值功率為150 kW，總耗能為1.8 kWh，單位能耗為18 Wh/m。

綜上所述，配置基于鋰離子電容器的能量管理系統(tǒng)容量為250 kW/10 kWh，可滿足E-RTG再生能量回收及相鄰2堆場(chǎng)之間（＜500 m）轉(zhuǎn)場(chǎng)運(yùn)行的功率與能量需求，同時(shí)壽命應(yīng)滿足年均10萬(wàn)次以上的放電次數(shù)。

2.2 能量管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1）能量管理系統(tǒng)整體方案

如圖3所示，E-RTG能量管理系統(tǒng)由鋰離子電容器組、雙向DC-DC變換器、逆變器等構(gòu)成。系統(tǒng)接入E-RTG變頻器的直流母線，通過(guò)雙向DC-DC變換器、逆變器與E-RTG原電源系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)能量交互，利用鋰離子電容器高比能、高功率、高循環(huán)壽命的特性，實(shí)現(xiàn)E-RTG起升時(shí)進(jìn)行有功功率補(bǔ)償、E-RTG下降時(shí)實(shí)現(xiàn)再生能量回收、作為轉(zhuǎn)場(chǎng)期間大車和輔助設(shè)備的動(dòng)力電源等功能。

E-RTG能量管理系統(tǒng)有市電和轉(zhuǎn)場(chǎng)2種工作模式。在市電模式下，E-RTG處于并網(wǎng)狀態(tài)，由市電與鋰離子電容器組共同為E-RTG供電。鋰離子電容器組的能量來(lái)自起升機(jī)構(gòu)下降過(guò)程中再生能量的回收，實(shí)現(xiàn)能量的本地回收及利用，可減小沖擊性負(fù)荷對(duì)電網(wǎng)導(dǎo)致的有功沖擊及諧波電流影響。在轉(zhuǎn)場(chǎng)模式下，首先控制市電經(jīng)DC-DC變換器將鋰離子電容器組充電，充滿后脫離市電，此時(shí)自動(dòng)切換至鋰離子電容器組作為電源為大車及輔助設(shè)備（油泵、空調(diào)、照明等）提供動(dòng)力。

2）基于MAP圖的電流閉環(huán)控制控制

雙向DC-DC變換器根據(jù)直流母線電壓控制鋰離子電容器充放電，同時(shí)維持直流母線電壓穩(wěn)定。如圖4所示，雙向DC-DC變換器采用基于MAP圖的電流閉環(huán)控制。其中，Udc、Usc分別為直流母線電壓和鋰離子電容器電壓，將其輸入MAP圖得到當(dāng)前狀態(tài)下最優(yōu)的鋰離子電容器充放電電流作為參考電流，與反饋電流作差得到電流誤差信號(hào)，經(jīng)過(guò)電流PI補(bǔ)償環(huán)節(jié)和脈沖寬度調(diào)制，以雙向DC-DC變換器。

如圖5所示，MAP圖分別用于鋰離子電容器充放電電流基準(zhǔn)值的確定和電流限幅的確定，兩者相乘得到參考電流Iref。其中，電流基準(zhǔn)值MAP圖的輸入為直流母線電壓，通過(guò)合理配置Ud1～Ud4電壓點(diǎn)、正向最大電流基準(zhǔn)值Icharge、負(fù)向最大電流基準(zhǔn)值Idischarge，可達(dá)到將直流母線電壓穩(wěn)定在一定電壓范圍內(nèi)的效果。當(dāng)直流母線電壓處于Ud2～Ud3時(shí)，電流基準(zhǔn)值為0，鋰離子電容器不進(jìn)行充放電；當(dāng)直流母線電壓小于Ud2時(shí)，負(fù)向電流基準(zhǔn)值隨直流母線電壓的減小線性增大，直至小于Ud1，負(fù)向電流基準(zhǔn)值穩(wěn)定在最大值，鋰離子電容器處于放電狀態(tài)；同理，當(dāng)直流母線電壓大于Ud3時(shí)，鋰離子電容器處于充電狀態(tài)。

電流限幅MAP圖輸入為超級(jí)電容電壓，通過(guò)合理配置Us1～Us4電壓點(diǎn)，可為鋰離子電容器提供過(guò)壓、欠壓保護(hù)。當(dāng)鋰離子電容器電壓處于Us2～Us3時(shí)，不對(duì)充放電電流進(jìn)行限制，而當(dāng)鋰離子電容器電壓大于Us3，或小于Us2時(shí)，電流會(huì)被逐步限制，直至限幅達(dá)100%。

3 E-RTG能量管理系統(tǒng)仿真分析

3.1 仿真模型參數(shù)輸入

E-RTG能量管理系統(tǒng)Simulink仿真模型主要包括電源模塊、變頻器模塊、異步電機(jī)模塊、能量管理系統(tǒng)模塊及控制模塊等。能量管理系統(tǒng)模塊包括雙向DC-DC變換器及鋰離子電容器，雙向DC-DC變換器由三相三重Buck-Boost變換器組成。鋰離子電容器用簡(jiǎn)化RC模型，其參數(shù)配置：額定容量為384 F，直流內(nèi)阻為70 mΩ，工作電壓為390～585 V，可用能量為10 kWh；由24個(gè)24 V/10 000 F模組24串1并組成，24 V/10 000 F模組由36只4 V/10 000 F超級(jí)電容單體6串6并組成。

4 V/10 000 F單體的電壓為2.5～4.0 V，額定容量為10 000 F，最大電流為150 A，直流內(nèi)阻為1.8 mΩ，循環(huán)壽命＞5 萬(wàn)次，工作溫度為-25℃～+55℃；24 V/10 000 F模組的直流內(nèi)阻為2.5 mΩ，電壓為15～24 V，儲(chǔ)存能量為432 Wh；624 V/384 F系統(tǒng)的直流內(nèi)阻為70 mΩ，工作電壓為390～585 V，可用能量為10 Wh。

基于MAP圖的電流閉環(huán)控制的仿真模型如圖6所示。電流環(huán)PI參數(shù)經(jīng)調(diào)試為KpI＝1， KiI＝100，輸出限幅為0.02～0.98，用來(lái)限定占空比范圍。電流基準(zhǔn)MAP圖中的節(jié)點(diǎn)電壓Ud1、Ud2、Ud3和Ud4設(shè)定為420 V、510 V、530 V和620 V，正/負(fù)向最大電流基準(zhǔn)值電流限幅設(shè)定為±500 A。電流限幅MAP圖中的節(jié)點(diǎn)電壓Us1、Us2、Us3和 Us4設(shè)定為300 V、320 V、480 V和500 V。

3.2 市電模式仿真分析

在增加能量管理系統(tǒng)后，由于鋰離子電容器組有功功率補(bǔ)償?shù)淖饔?，E-RTG作業(yè)時(shí)市電有功功率需求由166 kW降至86 kW，如圖7a、圖7b所示。根據(jù)直流母線電壓與鋰離子電容器電壓曲線（見圖7c、圖7d）可知，當(dāng)E-RTG起升時(shí)，直流母線電壓下跌至458 V，雙向DC-DC變換器控制鋰離子電容器放電，超級(jí)電容電壓逐漸下降；當(dāng)E-RTG下降時(shí)，直流母線電壓提升至678 V，雙向DC-DC變換器控制鋰離子電容器充電，超級(jí)電容電壓逐漸上升。由于配置鋰離子電容器組容量為10 kWh，基本可杜絕因出現(xiàn)連續(xù)下降工況導(dǎo)致鋰離子電容器組充滿電而使制動(dòng)電阻動(dòng)作的情況。

3.3 轉(zhuǎn)場(chǎng)模式仿真分析

當(dāng)E-RTG欲進(jìn)行轉(zhuǎn)場(chǎng)作業(yè)時(shí)，首先控制市電經(jīng)DC-DC變換器給超級(jí)電容儲(chǔ)能單元充電至585 V，充滿后脫離市電自動(dòng)切換至鋰離子電容器組作為動(dòng)力電源。轉(zhuǎn)場(chǎng)期間鋰離子電容器組電壓與輸出功率曲線如圖8所示，鋰離子電容器輸出功率功率為127 kW，1 min后鋰離子電容器電壓由584 V降至539 V，共釋放能量2.7 kWh。大車速度為130 m/min，預(yù)計(jì)可實(shí)現(xiàn)E-RTG相鄰2堆場(chǎng)之間小于500 m的轉(zhuǎn)場(chǎng)運(yùn)行。

4 結(jié)論

1）鋰離子電容器兼顧高比能、高功率及高循環(huán)壽命，不僅適用于E-RTG高功率、頻繁的再生能量回收?qǐng)鼍?，同時(shí)也具備一定的能量以滿足E-RTG短距離轉(zhuǎn)場(chǎng)能量，大幅提高其靈活性；

2）能量管理系統(tǒng)在市電模式時(shí)可實(shí)現(xiàn)再生能量的就地儲(chǔ)存及利用，E-RTG在一個(gè)工作周期內(nèi)具備快速有功功率補(bǔ)償及再生能量回收能力，同時(shí)可減少回饋電能在輸電過(guò)程中的損耗，提高節(jié)能效率；轉(zhuǎn)場(chǎng)模式時(shí)，可實(shí)現(xiàn)E-RTG相鄰兩堆場(chǎng)之間小于500 m的轉(zhuǎn)場(chǎng)運(yùn)行，使E-RTG徹底實(shí)現(xiàn)零排放；

3）根據(jù)設(shè)備選型及市場(chǎng)調(diào)研，能量管理系統(tǒng)一次投資約40萬(wàn)元，整體質(zhì)量小于2 t，具備商業(yè)化價(jià)值，可為E-RTG改造起到示范與借鑒作用。