CN108448700B - 起重系统混合能量储能装置、系统及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种起重系统混合能量储能装置、系统及控制方法，其中，该装置包括：DC保护分断单元、混合能量储能单元以及BMS系统控制单元；混合能量储能单元分别与DC保护分断单元及BMS系统控制单元电连接；BMS系统控制单元根据采集的混合能量储能单元、直流母线以及电网的电压控制混合能量储能单元进行充电/放电，混合能量储能单元通过DC保护分断单元吸收直流母线电连接的动力系统所产生的回馈能量实现充电，或通过DC保护分断单元向与直流母线连接的动力系统供电实现放电。本发明能够实现双动力混合供电，使动力系统稳定工作；对动力系统反馈的回馈能量进行回收并且能够循环利用，降低变压器的容量，达到节能的效果。

Description

起重系统混合能量储能装置、系统及控制方法

技术领域

本发明涉及新能源应用技术领域，尤其涉及一种起重系统混合能量储能装置、系统及控制方法，应用于集装箱码头港机设备动力系统，具体为轨道式岸边桥式起重机、橡胶轮胎门式起重机及门座式起重机中。

背景技术

目前，传统岸桥起重机动力系统采用单一市电电网为动力，由两台大容量的变压器组成给动力系统及辅助系统动力供电，通常主变压器容量≥2500KVA，辅助变压器≥250KVA，整体动力系统效率不足40％。主要原因如下：

a)装机容量大：考虑到必须满足岸桥动力系统短时的最高负荷需求，变压器容量功率必须按岸桥动力系统峰值需求匹配，比岸桥平均功率大2倍以上，导致岸桥供电系统的投资大、运行成本高；

b)电能效率低：受岸桥作业时能耗需求峰谷波动差异的影响，岸桥变压器功率因数较低，导致岸桥整体电能效率低；

c)制动能量回收功能：岸桥采用的能量回馈系统是在岸桥起升机构下降、小车运行和大车行走机构减速制动时，将回馈能量直接由主回路经岸桥的变压器回馈市电电网，由于回馈电能存在谐波及电能质量较不稳定，且输电线路较长部分回馈电能转化热能损耗，导致回馈的能量无法得到存储及更好的重复循环利用；

d)岸桥通常采用单一电源供电方式，当港口变电所突发停电或电压波动较大导致市电电源无法对岸桥作业提供电力供应时，岸桥自身没有应急电源装置，导致岸桥在港口作业存在安全隐患。

有鉴于此，有必要提出对目前的岸桥起重机动力系统结构进行进一步的改进。

发明内容

为解决上述至少一技术问题，本发明的主要目的是提供一种起重系统混合能量储能装置、系统及控制方法。

为实现上述目的，本发明采用的第一个技术方案为：提供一种起重系统混合能量储能装置，包括：DC保护分断单元、混合能量储能单元以及BMS系统控制单元；所述混合能量储能单元分别与DC保护分断单元及BMS系统控制单元电连接；

所述BMS系统控制单元根据采集的混合能量储能单元、直流母线以及电网的电压控制混合能量储能单元进行充电/放电，所述混合能量储能单元通过DC保护分断单元吸收直流母线电连接的动力系统所产生的回馈能量实现充电，或通过DC保护分断单元向与直流母线连接的动力系统供电实现放电。

为实现上述目的，本发明采用的第二个技术方案为：提供一种起重系统混合能量储能装置，包括：DC/DC双向变换器、DC保护分断单元、混合能量储能单元以及BMS系统控制单元，所述DC/DC双向变换器与DC保护分断单元电连接，所述DC保护分断单元与混合能量储能单元电连接，所述混合能量储能单元与BMS系统控制单元电连接；

所述BMS系统控制单元根据采集的混合能量储能单元、直流母线以及电网的电压控制混合能量储能单元进行充电/放电，所述混合能量储能单元依次通过DC保护分断单元及DC/DC双向变换器吸收直流母线电连接的动力系统所产生的回馈能量实现充电，或依次通过DC保护分断单元及DC/DC双向变换器向与直流母线连接的动力系统供电实现放电。

其中，所述混合能量储能单元具体为锂电池组、超级电容组、串联组配的锂电池组与超级电容组以及并联组配的锂电池组与超级电容组中的任意一种，所述锂电池组、超级电容组、串联组配的锂电池组与超级电容组以及并联组配的锂电池组与超级电容组的充/放电均由BMS系统控制单元控制。

其中，所述锂电池组包括多个并联的锂电池支路，单个锂电池支路包括多个串接的单体锂电池，所述BMS系统控制单元检测每一锂电池支路的工作状态以及切断发生故障的锂电池支路；或

所述超级电容组包括多个并联的超级电容支路，单个超级电容支路包括多个串接的单体超级电容，所述BMS系统控制单元检测每一超级电容支路的工作状态以及切断发生故障的超级电容支路。

其中，所述DC保护分断单元包括预充回路电路，以及与预充回路电路电连接的分断限流回路电路，所述预充回路电路包括总正接触器，以及串接的预充电阻器与预充接触器，所述总正接触器的两端分别与预充电阻器与预充接触器电连接，以在混合能量储能单元首次使用时均衡混合能量储能单元的端电压与直流母线的电压；所述分断限流回路电路包括总正熔断器及总负熔断器，所述总正熔断器的两端分别电连接总正输入/输出端子与总正接触器的一端，所述总负熔断器的两端分别电连接总负输入/输出端子与混合能量储能单元的负端，以在混合能量储能单元的充/放电电流过高时，切断混合能量储能单元的充/放电。

其中，所述BMS系统控制单元包括信号采样电路、A/D转换电路、控制器、隔离驱动电路、超级电容组充放电路、锂电池组充放电路以及采样通信电路，所述信号采样电路与A/D转换电路电连接，以采集的混合能量储能单元、直流母线及电网的模拟电压；所述A/D转换电路与控制器电连接，以将模拟电压转换成数字电压；所述控制器分别与信号采样通信电路及隔离驱动电路电连接，以对混合能量储能单元、直流母线、电网的数字电压以及采样通信电路的通信交互数据进行计算控制隔离驱动电路工作；所述隔离驱动电路分别与超级电容组充放电路、锂电池组充放电路电连接，驱动超级电容组充放电路及锂电池组充放电路。

为实现上述目的，本发明采用的第三个技术方案为：提供一种混合能量储能系统，包括：电网、变压器组、集中滤波单元、集中整流单元、直流母线、至少一动力系统以及能量储能装置，所述电网依次通过变压器组、集中整流单元及集中滤波单元与直流母线电连接，所述直流母线分别与至少一动力系统及能量储能装置电连接，所述能量储能装置为上述的起重系统混合能量储能装置，

当动力系统产生回馈能量时，回馈能量直接通过与直流母线电连接的能量储能装置吸收，实现充电；当电网电压跌落不足以提供动力系统所需能量或突然断电时，动力系统所需电量由能量储能装置提供，实现放电。

其中，所述动力系统为轨道式岸边桥式起重机、橡胶轮胎门式起重机及门座式起重机中的任一种。

为实现上述目的，本发明采用的第四个技术方案为：提供一种起重系统混合能量储能装置的控制方法，包括：

利用BMS系统控制单元采集直流母线、电网及混合能量储能单元的电压及电流并计算出单位时间内负载所需电量及混合能量储能单元充/放电电量；

在检测到动力系统所需的用电功率大于电网输出的供电功率时，所述BMS系统控制单元控制并驱动混合能量储能单元进行放电，所述混合能量储能单元通过DC保护分断单元向与直流母线电连接的动力系统供电；

在检测到动力系统所需的用电功率小于或等于直流母线的供电功率时，所述BMS系统控制单元控制并驱动混合能量储能单元进行充电，所述混合能量储能单元通过DC保护分断单元吸收直流母线中的回馈能量。

其中，所述利用BMS系统控制单元采集直流母线、电网及混合能量储能单元的电压及电流并计算出单位时间内负载所需电量及混合能量储能单元充/放电电量的步骤，具体包括：

利用信号采样电路采集直流母线、电网的电压，以及混合能量储能单元的电压、充/放电电流、温度及电量形成多个模拟数据，以及利用采样通信电路获取的通信交互数据；

通过A/D转换电路将多个模拟数据转换成多个数字数据；

利用控制器对多个数字数据与通信交互数据进行处理，生成对应的控制信号；

隔离驱动电路根据控制信号控制超级电容组充放电路，或锂电池组充放电路，以使对应的超级电容组及锂电池组充/放电。

其中，所述BMS系统控制单元控制并驱动混合能量储能单元进行充电或放电的步骤前，还包括：

在混合能量储能单元首次预充电时，所述混合能量储能单元的预充电压平台通过BMS系统控制单元采集直流母线的电压及混合能量储能单元的电压数据，判断电压数据是否达到主正接触器预设的吸合电压；若是则导通主正接触器，使混合能量储能单元处于充电状态；若否则导通预充接触器，使预充回路电路工作；

一段时间后，再次判断预充后的电压数据是否达到主正接触器预设的吸合电压；若是则导通主正接触器，使混合能量储能单元处于充电状态；若否则导通预充接触器，使预充回路电路继续预充，直至预充后的电压数据达到主正接触器预设的吸合电压。

其中，所述混合能量储能单元向与直流母线电连接的动力系统供电步骤中，具体包括：

当动力系统加速作业引起直流母线电压跌落时，根据BMS系统控制单元计算应释放的供电功率及供电电量，并控制混合能量储能单元以第一设定功率进行放电，使直流母线电压稳定在设定阈值范围内；

判断混合能量储能单元的端电压是否达到设定的第一下限值，若否则继续控制混合能量储能单元以第一设定功率进行放电，使直流母线电压稳定在设定阈值范围内；若是则控制混合能量储能单元通过DC/DC双向逆变器进行恒压或恒流放电；

再次判断混合能量储能单元的端电压是否达到设定的第二下限值，若否则继续控制混合能量储能单元通过DC/DC双向逆变器进行恒压或恒流放电，若是则停止混合能量储能单元放电，以待电网及回馈能量为动力系统供电。

其中，所述混合能量储能单元向与直流母线电连接的动力系统供电步骤，还包括：

在电网停电时，根据BMS系统控制单元计算应释放的供电功率及供电电量，并控制混合能量储能单元以恒流/恒压、以及设定的平均功率为动力系统应急供电；

判断混合能量储能单元的端电压是否达到设定下限值，若否则继续控制混合能量储能单元以恒流/恒压、以及设定的平均功率为动力系统应急供电；若是则停止动力系统作业并结束应急供电。

其中，所述混合能量储能单元吸收直流母线中的回馈能量的步骤中，具体包括：

当动力系统产生回馈能量时，根据BMS系统控制单元计算应吸收的充电功率及充电电量，并控制混合能量储能单元以第二设定功率吸收回馈能量；

判断混合能量储能单元的端电压是否达到设定上限电压值，若是则控制混合能量储能单元停止充电，若否则继续控制混合能量储能单元以第二设定功率吸收回馈能量。

本发明的起重系统混合能量储能装置主要包括DC保护分断单元、混合能量储能单元以及BMS系统控制单元，各个动力系统制动时产生回馈能量，回馈能量由BMS系统控制单元控制混合能量储能单元吸收，回馈能量由混合能量储能单元回收、储存并重复循环利用，实现节能降耗；在当电网停电或者电网电压大幅跌落时，通过BMS系统控制单元控制混合能量储能单元放电，为动力系统供电，为动力系统的不间断工作提供保障。

本发明的混合能量储能系统区别现有采用单一电网供电，采用以电网为主和起重系统混合能量储能装置为辅双动力混合供电同时输出为岸桥提供“双动力”供电系统，降低变压器根据岸桥峰值功率需求以变压器额定功率进行匹配输出所引起的装机容量的浪费问题；各个动力系统制动时所反馈的回馈能量实时由混合能量储能单元回收、储存并重复循环利用，实现节能降耗；当电网停电或者电网电压大幅跌落时，混合能量储能单元直接或通过功率变换器释放能量以维持直流母线电压在正常范围内，以保证岸桥主动力系统和辅助用电动力系统在限定的时间内正常工作，提高系统工作的安全性及可靠性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。

图1为本发明一实施例混合能量储能系统的模块方框图；

图2为本发明另一实施例混合能量储能系统的模块方框图；

图3a至3d为本发明混合能量储能单元的配置原理图；

图4为本发明中DC保护分断单元的电路原理图；

图5为本发明中BMS系统控制单元的电路原理图；

图6为本发明又一实施例起重系统混合能量储能装置的控制方法的方法流程图；

图7为本发明起重系统混合能量储能装置在岸桥首次运行前预充电路控制流程图；

图8为本发明起重系统混合能量储能装置在直流母线电压下降时的控制流程图；

图9为本发明起重系统混合能量储能装置在电网停电时的控制流程图；

图10为本发明起重系统混合能量储能装置在动力系统产生能量回馈时的控制流程图。

本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明，本发明中涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。

现有技术中的岸桥系统采用单一电网供电模式，导致系统的安全性及可靠性低，耗能高等问题，本发明的实施例增加一套混合能量储能单元为动力系统提供动力源，其与电网配合，形成以市电电网供电为主和能量储能装置供电为辅为岸桥提供动力的“双动力”岸桥动力系统，旨在提高岸桥供电的可靠性、降低能耗和使回馈能量更好的回收及重复利用，达到节能的目的。可以理解的，上述的动力系统可以具体为轨道式岸边桥式起重机、橡胶轮胎门式起重机及门座式起重机等。下面以动力系统为轨道式岸边桥式起重机的为例进行说明，具体请参照下述实施例。

实施例一

请参照图1，图1为本发明一实施例混合能量储能系统的模块方框图。在本发明的实施例中，该起重系统混合能量储能装置，包括：DC保护分断单元200、混合能量储能单元400以及BMS系统控制单元600；所述混合能量储能单元400分别与DC保护分断单元200及BMS系统控制单元600电连接；

所述BMS系统控制单元600根据采集的混合能量储能单元400、直流母线30以及电网40的电压控制混合能量储能单元400进行充电/放电，所述混合能量储能单元400通过DC保护分断单元200吸收直流母线30电连接的动力系统20所产生的回馈能量实现充电，或通过DC保护分断单元200向与直流母线30连接的动力系统20供电实现放电。

本发明的实施例中，该动力系统20包括第一DC/AC双向变换器21、与第一DC/AC双向变换器21电连接的第一切换互换开关22，分别与第一切换互换开关22电连接的大车电机23及升降电机24，以及第二DC/AC双向变换器25、与第二DC/AC双向变换器25电连接的第二切换互换开关26，分别与第二切换互换开关26电连接的小车电机27及俯仰电机28。该动力系统20通过直流母线30与电网40及混合能量储能单元400相连，在市电电网40停电或者电网40电压大幅跌落时，由BMS系统控制单元600控制混合能量储能单元400通过DC保护分断单元200进行放电，以维持直流母线30电压在正常范围内，保证动力系统20正常工作，能够实现不间断的供电；当轨道式岸边桥式起重机的动力系统20制动时产生回馈能量，回馈能量由BMS系统控制单元600控制混合能量储能单元400通过DC保护分断单元200吸收直流母线30的回馈能量，以实现充电，能够实现能量的循环利用，节省电能，如此，混合能量储能单元400具有为整个动力系统20在高峰功率补偿、并对回馈能量回收，进而进行重复循环的作用，可以减小岸桥整机的供电系统装机容量。

本发明的技术方案主要包括DC保护分断单元200、混合能量储能单元400以及BMS系统控制单元600，当轨道式岸边桥式起重机的动力系统20制动时产生回馈能量，回馈能量通过BMS系统控制单元600控制混合能量储能单元400充电，回馈能量由混合能量储能单元400回收、储存并重复循环利用，实现节能降耗；在当电网40停电或者电网40电压大幅跌落时，通过BMS系统控制单元600控制混合能量储能单元400放电，为动力系统20供电，为动力系统20的不间断工作提供保障。

实施例二

请参照图2，图2为本发明另一实施例混合能量储能系统的模块方框图。本发明的实施例中，该起重系统混合能量储能装置10，包括：DC/DC双向变换器100、DC保护分断单元200、混合能量储能单元400以及BMS系统控制单元600，所述DC/DC双向变换器100与DC保护分断单元200电连接，所述DC保护分断单元200与混合能量储能单元400电连接，所述混合能量储能单元400与BMS系统控制单元600电连接；

所述BMS系统控制单元600根据采集的混合能量储能单元400、直流母线30以及电网40的电压控制混合能量储能单元400进行充电/放电，所述混合能量储能单元400依次通过DC保护分断单元200及DC/DC双向变换器100吸收直流母线30电连接的动力系统20所产生的回馈能量实现充电，或依次通过DC保护分断单元200及DC/DC双向变换器100向与直流母线30连接的动力系统20供电实现放电。

本发明的实施例中，该动力系统20包括第一DC/AC双向变换器21、与第一DC/AC双向变换器21电连接的第一切换互换开关22，分别与第一切换互换开关22电连接的大车电机23及升降电机24，以及第二DC/AC双向变换器25、与第二DC/AC双向变换器25电连接的第二切换互换开关26，分别与第二切换互换开关26电连接的小车电机27及俯仰电机28。该动力系统20通过直流母线30与电网40及混合能量储能单元400相连，在市电电网40停电或者电网40电压大幅跌落时，由BMS系统控制单元600控制混合能量储能单元400通过DC保护分断单元200及DC/DC双向变换器100进行放电，以维持直流母线30电压在正常范围内，保证动力系统20正常工作，能够实现不间断的供电；当轨道式岸边桥式起重机动力系统20制动时产生回馈能量，回馈能量由BMS系统控制单元600控制混合能量储能单元400通过DC保护分断单元200及DC/DC双向变换器100，以实现充电，能够实现能量的循环利用，节省电能，如此，混合能量储能单元400起着为整个动力系统20在高峰功率补偿、并对回馈能量回收，进而进行重复循环的作用，可以减小岸桥整机的供电系统装机容量。

在基于实施例一或实施例二的基础上，对DC保护分断单元200、混合能量储能单元400以及BMS系统控制单元600进行了详细描述，具体请参照下述的实施方式。

请参照图3a至3d，图3a至3d为本发明混合能量储能单元400的配置原理图。在一具体的实施方式中，所述混合能量储能单元400具体为锂电池组410、超级电容组420、串联组配的锂电池组410与超级电容组420以及并联组配的锂电池组410与超级电容组420中的任意一种，所述锂电池组410、超级电容组420、串联组配的锂电池组410与超级电容组420以及并联组配的锂电池组410与超级电容组420的充/放电均由BMS系统控制单元600控制。具体的，在混合能量储能单元400为单一的锂电池组410时，由BMS系统控制单元600控制锂电池组410充放电路；在混合能量储能单元400为单一的超级电容组420时，由BMS系统控制单元600控制超级电容组420充放电路；在混合能量储能单元400为串联或并联的锂电池组410与超级电容组420时，由BMS系统控制单元600同时控制锂电池组410充放电路及超级电容组420充放电路。电网40的电压经过整流滤波后汇接到直流母线30，当岸桥的动力系统20进行起升、启动或加速作业时，会从直流母线30中吸收较大的功率，导致直流母线30的电压降低，此时，混合能量储能单元400通过DC/DC双向变换器100或直接给直流母线30放电，并起到功率缓冲的作用，减少岸桥因能耗需求对市电电网40的冲击；当轨道式岸边桥式起重机的动力系统20进行下降、减速或反向运行作业时，由于电机处于发电状态而向直流母线30产生馈电，会导致岸桥直流母线30电压升高，此时，直流母线30通过DC/DC双向变换器100给混合能量储能单元400充电，有效的起到能量回收重复循环利用的目的。

进一步的，所述锂电池组410包括多个并联的锂电池支路，单个锂电池支路包括多个串接的单体锂电池，所述BMS系统控制单元600检测每一锂电池支路的工作状态以及切断发生故障的锂电池支路；或

所述超级电容组420包括多个并联的超级电容支路，单个超级电容支路包括多个串接的单体超级电容，所述BMS系统控制单元600检测每一超级电容支路的工作状态以及切断发生故障的超级电容支路。本实施例中，由于采用多个并联的锂电池支路或超级电容支路，当锂电池支路或超级电容支路任意一条或几条支路发生故障时，由BMS系统控制单元600控制切断故障支路，剩余的多个可正常工作的串联支路相互并联，继续维持混合能量储能单元400的工作机能。

请参照图4，图4为本发明DC保护分断单元200的电路原理图。在一具体的实施方式中，所述DC保护分断单元200包括预充回路电路210，以及与预充回路电路210电连接的分断限流回路电路220，所述预充回路电路210包括总正接触器213，以及串接的预充电阻器211与预充接触器212，所述总正接触器213的两端分别与预充电阻器211与预充接触器212电连接，以在混合能量储能单元400首次使用时均衡混合能量储能单元400的端电压与直流母线30的电压；所述分断限流回路电路220包括总正熔断器221及总负熔断器222，所述总正熔断器221的两端分别电连接总正输入/输出端子与总正接触器213的一端，所述总负熔断器222的两端分别电连接总负输入/输出端子与混合能量储能单元400的负端，以在混合能量储能单元400的充/放电电流过高时，切断混合能量储能单元400的充/放电。本实施例中，预充回路电路210用于混合能量储能单元400首次使用前当直流母线30的电压值大于或小于混合能量储能单元400的端电压时工作，均衡端电压与直流母线30电压，当混合能量储能单元400的充/放电电流过高时，切断电路以保护电路中的元器件。在市电电网40停电或者电网40电压大幅跌落时，混合能量储能单元400通过DC/DC双向变换器100或直接连接直流母线30释放能量以维持直流母线30电压在正常范围内，以保证岸桥主动力系统20和辅助用电动力系统20在限定的时间内进行应急工作或正常工作。充电时，总正接触器213常开，预充接触器212闭合，通过预充电阻器211增加混合能量储能单元400的端电压，当端电压于直流母线30均衡时，总正接触器213闭合，预充接触器212断开，如此，实现正常充电；放电时，则总正接触器213闭合，混合能量储能单元400放电，以向动力系统20供电。

请参照图5，图5为本发明BMS系统控制单元600的电路原理图。在一具体的实施方式中，所述BMS系统控制单元600包括信号采样电路610、A/D转换电路620、控制器630、隔离驱动电路640、超级电容组充放电路660、锂电池组充放电路650以及采样通信电路670，所述信号采样电路610与A/D转换电路620电连接，以采集的混合能量储能单元400、直流母线30及电网40的模拟电压；所述A/D转换电路620与控制器630电连接，以将模拟电压转换成数字电压；所述控制器630分别与信号采样通信电路670及隔离驱动电路640电连接，以对混合能量储能单元400、直流母线30、电网40的数字电压以及采样通信电路670的通信交互数据进行计算控制隔离驱动电路640工作；所述隔离驱动电路640分别与超级电容组充放电路660、锂电池组充放电路650电连接，驱动超级电容组充放电路660及锂电池组充放电路650。本实施例中，BMS系统控制单元600可根据采集系统直流母线30中电压或输出功率控制混合能量储能单元400放电或充电。当起升电机上升，小车、大车行走加载瞬间造成直流母线30电压下降低于设定值时，混合能量储能单元400经过DC/DC双向逆变器或直接放电补偿功率输出；当起升电机下降或小车、大车行走制动过程中，直流母线30电压升高到设定值时，混合能量储能单元400经过DC/DC双向逆变器或直接充电储能。

实施例三

请参照图1和图2，本发明的实施例中，该混合能量储能系统，包括：电网40、变压器组50、集中滤波单元60、集中整流单元70、直流母线30、至少一动力系统20以及能量储能装置，所述电网40依次通过变压器组50、集中整流单元70及集中滤波单元60与直流母线30电连接，所述直流母线30分别与至少一动力系统20及能量储能装置电连接，所述能量储能装置为上述的起重系统混合能量储能装置10；

当动力系统20产生回馈能量时，多余的回馈能量被与直流母线30电连接的能量储能装置吸收，实现充电；当电网40的供电功率小于动力系统20所需功率或突然断电时，动力系统20所需功率由能量储能装置提供，实现放电。

本实施例中的系统采用上述的起重系统混合能量储能装置10，起重系统混合能量储能装置10的具体结构请参照上述的实施例，此处不再赘述。由于本系统具有起重系统混合能量储能装置10，故而具有起重系统混合能量储能装置10的所有优点和效果。

本发明的混合能量储能系统采用以电网40为主和起重系统混合能量储能装置10为辅双动力混合供电同时输出为岸桥提供“双动力”供电系统，降低变压器根据岸桥峰值功率需求以变压器额定功率进行匹配输出所引起的装机容量的浪费问题；岸桥作业时各个动力系统20制动时所回馈能量实时由混合能量储能单元400回收、储存并重复循环利用，实现节能降耗；当电网40停电或者电网40电压大幅跌落时，混合能量储能单元400直接或通过功率变换器释放能量以维持直流母线30电压在正常范围内，以保证岸桥主动力系统20和辅助用电动力系统20在限定的时间内正常工作，提高系统工作的安全性及可靠性。

本发明的混合能量储能系统应用于轨道式岸边桥式起重机，具有如下优点：

a)市电电网40供电为主和锂电池能量储能装置组供电为辅，两种电源同时输出与为轨道式岸边桥式起重机主动力系统20及辅助动力系统20提供电源，形成设备的“双动力”供电系统，为轨道式岸边桥式起重机供电；电池组容量匹配以满足轨道式岸边桥式起重机回馈能量储存及降速应急运行为主要匹配指标，据此计算，降低岸桥变压器的装机容量，减少岸桥的运行成本。

b)通常情况下，设备作业时，混合能量储能单元400电量处于SOC第一设定值以上时，市电电网40处于辅助供电状态，混合能量储能单元400为岸桥作业补偿放电输出；当混合能量储能单元400电量处于SOC第一设定值与SOC第二设定值之间时，混合组储能装置处于辅助供电状态，市电电网40为主供电状态与混合能量储能单元400共同为轨道式岸边桥式起重机作业提供电能；混合能量储能单元400电量处于SOC第二设定值以下时，混合能量储能单元400不参与系统供电，吸收直流母线30回馈能量充电；此时完全以市电电网40为轨道式岸边桥式起重机提供电能，通过以上控制，实现岸桥节能降耗。

c)岸桥作业时，各个工作机构电机所回馈能量由混合能量储能单元400予以回收、储存并重复循环利用，当混合能量储能电量达到设定上限时，岸桥回馈的能量通过与母线连接的辅助用电设备直接利用，当回馈能量过大时则由直流母线30经DC/AC双向逆变器反馈给市电电网40。当混合能量储能电量低于设定值时，岸桥的市电电源将利用岸桥作业间歇为电池组充电至电池储能装置的安全容量值。

d)当市电电网40停电或者电网40电压大幅跌落时，混合组能量储能装置直接或通过DC/DC双向变换器100释放能量以维持直流母线30电压在正常范围内，以保证岸桥动力系统20和辅助用电动力系统20在限定的时间内进行应急工作或正常工作，提高设备可靠性。

e)市电电网40供电为主和混合能量储能单元400为辅双动力混合供电支持作业，满足最大功率需求的同时，可实现全部能量回收并重复循环利用，实现轨道式岸边桥式起重机的节能降耗。

f)轨道式岸边桥式起重机双动力能量储能装置及其节能控制系统可以直接与直流母线30相连接，或者通过充放电装置与直流母线30连接，作为岸桥供电系统的辅助供电电源、应急电源或者功率缓冲器。

可以理解的，该轨道式岸边桥式起重机仅为本方案的一具体的应用实例，其实际应用中，本混合能量储能单元400还可以为橡胶轮胎门式起重机及门座式起重机等供电。

实施例四

请参照图6，图6为本发明又一实施例起重系统混合能量储能装置的控制方法的方法流程图。本发明的实施例中，该起重系统混合能量储能装置的控制方法，包括：

步骤S10、利用BMS系统控制单元采集直流母线、电网及混合能量储能单元的电压及电流并计算出单位时间内负载所需电量及混合能量储能单元充/放电电量；

步骤S20、在检测到动力系统所需的用电功率大于电网输出的供电功率时，所述BMS系统控制单元控制并驱动混合能量储能单元进行放电，所述混合能量储能单元通过DC保护分断单元向与直流母线电连接的动力系统供电；

步骤S30、在检测到动力系统所需的用电功率小于或等于直流母线的供电功率时，所述BMS系统控制单元控制并驱动混合能量储能单元进行充电，所述混合能量储能单元通过DC保护分断单元吸收直流母线中的回馈能量。

本实施例中，步骤S10中，BMS系统控制单元还采集有超级电容器组与放电电流状态、锂电池组温度/电量/充放电电流状态得到各数据，在计算出电网供电效率、混合能量储能单元充/放电效率，采用电网电压为主混合能量储能单元为辅的供电方式为动力系统提供持续不间断的电能，提高了动力系统运行的安全性与可靠性。具体的，在动力系统启动或加速工作时，直流母线的电压跌落，此时，通过BMS系统控制单元控制混合能量储能单元进行放电，辅助补充电能保证动力系统正常工作；在动力系统制动时，动力系统的负荷产生回馈能量，抬高直流母线电压，使直流母线电压处于正常的范围内，此时，通过BMS系统控制单元控制混合能量储能单元进行充电，以对回馈能量进行吸收，循环利用，达到节能的目的。

在基于实施例四的基础上，下面对步骤S10、S20及S30进行进一步的描述，具体描述请参照下述实施方式。

在一具体的实施方式中，所述利用BMS系统控制单元采集直流母线、电网及混合能量储能单元的电压及电流并计算出单位时间内负载所需电量及混合能量储能单元充/放电电量的步骤，具体包括：

利用信号采样电路采集直流母线、电网的电压，以及混合能量储能单元的电压、充/放电电流、温度及电量形成多个模拟数据，以及利用采样通信电路获取的通信交互数据；

通过A/D转换电路将多个模拟数据转换成多个数字数据；

利用控制器对多个数字数据与通信交互数据进行处理，生成对应的控制信号；

隔离驱动电路根据控制信号控制超级电容组充放电路，或锂电池组充放电路，以使对应的超级电容组及锂电池组充/放电。通过上述实施方式，可以方便对混合能量储能单元的充放电进行控制。

请参照图7，图7为本发明起重系统混合能量储能装置在岸桥首次运行前预充电路控制流程图。在一具体的实施方式中，所述BMS系统控制单元控制并驱动混合能量储能单元进行充电或放电的步骤前，还包括：

在混合能量储能单元首次预充电时，所述混合能量储能单元的预充电压平台通过BMS系统控制单元采集直流母线的电压及混合能量储能单元的电压数据，判断电压数据是否达到主正接触器预设的吸合电压；若是则导通主正接触器，使混合能量储能单元处于充电状态；若否则导通预充接触器，使预充回路电路工作；

一段时间后，再次判断预充后的电压数据是否达到主正接触器预设的吸合电压；若是则导通主正接触器，使混合能量储能单元处于充电/放电状态；若否则导通预充接触器，使预充回路电路继续预充，直至预充后的电压数据达到主正接触器预设的吸合电压。通过上述的实施方式，可以保证混合能量储能单元的端电压与直流母线电压的均衡性，为混合能量储能单元充放电的可靠性与安全性提供保障。

请参照图8，图8为本发明起重系统混合能量储能装置在直流母线电压下降时的控制流程图。在一具体的实施方式中，所述混合能量储能单元向与直流母线电连接的动力系统供电步骤中，具体包括：

在动力系统加速作业引起直流母线电压跌落时，根据BMS系统控制单元计算应释放的供电功率及供电能量，并控制混合能量储能单元以第一设定功率进行放电，使直流母线电压稳定在设定阈值范围内；

判断混合能量储能单元的端电压是否达到设定的第一下限值，若否则继续控制混合能量储能单元以第一设定功率进行放电，使直流母线电压稳定在设定阈值范围内；若是则控制混合能量储能单元通过DC/DC双向逆变器进行恒压或恒流放电；

再次判断混合能量储能单元的端电压是否达到设定的第二下限值，若否则继续控制混合能量储能单元通过DC/DC双向逆变器进行恒压或恒流放电，若是则停止混合能量储能单元放电，以待电网及回馈能量为动力系统供电。通过上述的实施方式，可以更好地对混合能量储能单元的放电进行分阶段控制，避免过放而影响混合能量储能单元的性能。

请参照图9，图9为本发明起重系统混合能量储能装置在电网停电时的控制流程图。在一具体的实施方式中，所述混合能量储能单元向与直流母线电连接的动力系统供电步骤，还包括：

在电网停电时，根据BMS系统控制单元计算应释放的供电功率及供电电量，并控制混合能量储能单元以恒流/恒压、以及设定的平均功率为动力系统应急供电；

判断混合能量储能单元的端电压是否达到设定下限值，若否则继续控制混合能量储能单元以恒流/恒压、以及设定的平均功率为动力系统应急供电；若是则停止动力系统作业并结束应急供电。通过上述的实施方式，可以更好地对混合能量储能单元的放电进行控制，能够提高应急电源提高动力系统工作的安全性与可靠性，避免电网突然断电对动力系统的影响，同时还能避免过放而影响混合能量储能单元的性能。

请参照图10，图10为本发明起重系统混合能量储能装置在动力系统产生能量回馈时的控制流程图。在一具体的实施方式中，所述混合能量储能单元吸收直流母线中的回馈能量的步骤中，具体包括：

在动力系统产生回馈能量时，根据BMS系统控制单元计算应吸收的充电功率及充电电量，并控制混合能量储能单元以第二设定功率吸收回馈能量；

判断混合能量储能单元的端电压是否达到设定上限电压值，若是则控制混合能量储能单元停止充电，若否则继续控制混合能量储能单元以第二设定功率吸收回馈能量。通过上述的实施方式，可以更好地对混合能量储能单元的充电进行控制，避免过充而影响混合能量储能单元的性能。

本发明的起重系统混合能量储能装置的控制方法，具有如下效果：

1、在轨道式岸边桥式起重机的起升和加速过程中，轨道式岸边桥式起重机会因负载增大而导致直流母线电压降低，电池能量储能装置可以作为轨道式岸桥起重机的辅助供电电源，与市电电网一起提供轨道式岸桥起重机所需的功率，使得轨道式岸边桥式起重机的变压器输出功率不需要与轨道式岸桥起重机的功率需求实时匹配，可以降低变压器因参照轨道式岸桥起重机峰值功率需求进行匹配造成的装机容量的浪费。

2、在轨道式岸边桥式起重机的快速下降和制动过程中，轨道式岸边桥式起重机各机构因电机反转产生能量回馈，电池能量储能装置可以作为能量缓冲器，可以有效地吸收反馈至直流母线上的全部回馈能量进行充电储能，实现能量的循环重复利用，实现节能降耗。

3、当市电电网发生停电或电压中断、跌落时，混合能量储能单元可以作为应急电源，为轨道式岸桥起重机提供一定时间的能量支撑，以保证轨道式岸边桥式起重机在限定的时间内进行应急工作或正常工作，提高了轨道式岸桥起重机的安全可靠性。

4、采用一锂电池组作为混合能量储能单元，锂电池备电时间及使用寿命大有提高，使用寿命可达10年以上，与传统铅酸电池相比，锂电池组使用寿命更长。

5、混合能量储能单元的电量保持在预设电量下限值与预设电量上限值之间，避免了电池能量储能装置的过度放电和过度充电，延长了混合能量储能单元的寿命。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是在本发明的发明构思下，利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (9)

1.一种混合能量储能系统，其特征在于，包括：电网、变压器组、集中滤波单元、集中整流单元、直流母线、至少一动力系统以及能量储能装置，所述电网依次通过变压器组、集中整流单元及集中滤波单元与直流母线电连接，所述直流母线分别与至少一动力系统及能量储能装置电连接；

所述能量储能装置包括：DC保护分断单元、混合能量储能单元以及BMS系统控制单元；所述混合能量储能单元分别与DC保护分断单元及BMS系统控制单元电连接；

所述BMS系统控制单元根据采集的混合能量储能单元、直流母线以及电网的电压控制混合能量储能单元进行充电/放电，所述混合能量储能单元通过DC保护分断单元吸收直流母线电连接的动力系统所产生的回馈能量实现充电，或通过DC保护分断单元向与直流母线连接的动力系统供电实现放电；

所述DC保护分断单元包括预充回路电路，以及与预充回路电路电连接的分断限流回路电路，所述预充回路电路包括总正接触器，以及串接的预充电阻器与预充接触器，所述总正接触器的两端分别与预充电阻器与预充接触器电连接，以在混合能量储能单元首次使用时均衡混合能量储能单元的端电压与直流母线的电压；所述分断限流回路电路包括总正熔断器及总负熔断器，所述总正熔断器的两端分别电连接总正输入/输出端子与总正接触器的一端，所述总负熔断器的两端分别电连接总负输入/输出端子与混合能量储能单元的负端，以在混合能量储能单元的充/放电电流过高时，切断混合能量储能单元的充/放电；

当动力系统产生回馈能量时，回馈能量直接通过与直流母线电连接的能量储能装置吸收，实现充电；当电网电压跌落不足以提供动力系统所需能量或突然断电时，动力系统所需电量由能量储能装置提供，实现放电；

在混合能量储能单元首次预充电时，所述混合能量储能单元的预充电压平台通过BMS系统控制单元采集直流母线的电压及混合能量储能单元的电压数据，判断电压数据是否达到主正接触器预设的吸合电压；若是则导通主正接触器，使混合能量储能单元处于充电状态；若否则导通预充接触器，使预充回路电路工作；

一段时间后，再次判断预充后的电压数据是否达到主正接触器预设的吸合电压；若是则导通主正接触器，使混合能量储能单元处于充电/放电状态；若否则导通预充接触器，使预充回路电路继续预充，直至预充后的电压数据达到主正接触器预设的吸合电压；

所述混合能量储能单元向与直流母线电连接的动力系统供电步骤中，具体包括：

在动力系统加速作业引起直流母线电压跌落时，根据BMS系统控制单元计算应释放的供电功率及供电电量，并控制混合能量储能单元以第一设定功率进行放电，使直流母线电压稳定在设定阈值范围内；

判断混合能量储能单元的端电压是否达到设定的第一下限值，若否则继续控制混合能量储能单元以第一设定功率进行放电，使直流母线电压稳定在设定阈值范围内；若是则控制混合能量储能单元通过DC/DC双向逆变器进行恒压或恒流放电；

再次判断混合能量储能单元的端电压是否达到设定的第二下限值，若否则继续控制混合能量储能单元通过DC/DC双向逆变器进行恒压或恒流放电，若是则停止混合能量储能单元放电，以待电网及回馈能量为动力系统供电。

2.如权利要求1所述的混合能量储能系统，其特征在于，所述能量储能装置包括：DC/DC双向变换器、DC保护分断单元、混合能量储能单元以及BMS系统控制单元，所述DC/DC双向变换器与DC保护分断单元电连接，所述DC保护分断单元与混合能量储能单元电连接，所述混合能量储能单元与BMS系统控制单元电连接；

所述BMS系统控制单元根据采集的混合能量储能单元、直流母线以及电网的电压控制混合能量储能单元进行充电/放电，所述混合能量储能单元依次通过DC保护分断单元及DC/DC双向变换器吸收直流母线电连接的动力系统所产生的回馈能量实现充电，或依次通过DC保护分断单元及DC/DC双向变换器向与直流母线连接的动力系统供电实现放电。

3.如权利要求1或2所述的混合能量储能系统，其特征在于，所述混合能量储能单元具体为锂电池组、超级电容组、串联组配的锂电池组与超级电容组以及并联组配的锂电池组与超级电容组中的任意一种，所述锂电池组、超级电容组、串联组配的锂电池组与超级电容组以及并联组配的锂电池组与超级电容组的充/放电均由BMS系统控制单元控制。

4.如权利要求3所述的混合能量储能系统，其特征在于，所述锂电池组包括多个并联的锂电池支路，单个锂电池支路包括多个串接的单体锂电池，所述BMS系统控制单元检测每一锂电池支路的工作状态以及切断发生故障的锂电池支路；或

所述超级电容组包括多个并联的超级电容支路，单个超级电容支路包括多个串接的单体超级电容，所述BMS系统控制单元检测每一超级电容支路的工作状态以及切断发生故障的超级电容支路。

5.如权利要求4所述的混合能量储能系统，其特征在于，所述动力系统为轨道式岸边桥式起重机、橡胶轮胎门式起重机及门座式起重机中的任一种。

6.如权利要求1所述的混合能量储能系统，其特征在于，包括：

利用BMS系统控制单元采集直流母线、电网及混合能量储能单元的电压及电流并计算出单位时间内负载所需电量及混合能量储能单元充/放电电量；

在检测到动力系统所需的用电功率大于电网输出的供电功率时，所述BMS系统控制单元控制并驱动混合能量储能单元进行放电，所述混合能量储能单元通过DC保护分断单元向与直流母线电连接的动力系统供电；

在检测到动力系统所需的用电功率小于或等直流母线的供电功率时，所述BMS系统控制单元控制并驱动混合能量储能单元进行充电，所述混合能量储能单元通过DC保护分断单元吸收直流母线中的回馈能量。

7.如权利要求6所述的混合能量储能系统，其特征在于，所述利用BMS系统控制单元采集直流母线、电网及混合能量储能单元的电压及电流并计算出单位时间内负载所需电量及混合能量储能单元充/放电电量的步骤，具体包括：

利用信号采样电路采集直流母线、电网的电压，以及混合能量储能单元的电压、充/放电电流、温度及电量形成多个模拟数据，以及利用采样通信电路获取的通信交互数据；

通过A/D转换电路将多个模拟数据转换成多个数字数据；

利用控制器对多个数字数据与通信交互数据进行处理，生成对应的控制信号；

隔离驱动电路根据控制信号控制超级电容组充放电路，或锂电池组充放电路，以使对应的超级电容组及锂电池组充/放电。

8.如权利要求7所述的混合能量储能系统，其特征在于，所述混合能量储能单元向与直流母线电连接的动力系统供电步骤，还包括：

在电网停电时，根据BMS系统控制单元计算应释放的供电功率及供电电量，并控制混合能量储能单元以恒流/恒压、以及设定的平均功率为动力系统应急供电；

判断混合能量储能单元的端电压是否达到设定下限值，若否则继续控制混合能量储能单元以恒流/恒压、以及设定的平均功率为动力系统应急供电；若是则停止动力系统作业并结束应急供电。

9.如权利要求8所述的混合能量储能系统，其特征在于，所述混合能量储能单元吸收直流母线中的回馈能量的步骤中，具体包括：

当动力系统产生回馈能量时，根据BMS系统控制单元计算应吸收的充电功率及充电电量，并控制混合能量储能单元以第二设定功率吸收回馈能量；

判断混合能量储能单元的端电压是否达到设定上限电压值，若是则控制混合能量储能单元停止充电，若否则继续控制混合能量储能单元以第二设定功率吸收回馈能量。

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