CN109552065A - 一种基于超级电容组的混合动力系统及其工作方法 - Google Patents

一种基于超级电容组的混合动力系统及其工作方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及起重机动力控制领域,提供一种基于超级电容组的混合动力系统及其工作方法,主要用于混合动力起重机,该系统包括给系统提供能量的主动力系统、回收能量的辅动力系统、能源消耗及生成系统和直流母线,所述主动力系统、辅动力系统以及能源消耗及生成系统均接在直流母线上,所述主动力系统给系统提供电能,所述辅动力系统将回收的能量存储并利用于系统中,所述能源消耗及生成系统在工作时消耗能量,同时逆向过程生成能量,被辅动力系统回收。本发明的优点在于:动力源能够根据超级电容组电压的变化改变输出电流,调整输出功率,使超级电容组回收的能量能充分利用,从而极大的增强了混合动力系统的节能效果,提高港口经济效益。

Description

一种基于超级电容组的混合动力系统及其工作方法
技术领域
本发明涉及起重机动力控制领域,具体涉及一种基于超级电容组的混合动力系统及其工作方法,主要用于混合动力起重机。
背景技术
起重机是具有典型位能性负载特征的工程机械,当工作负载下降时会释放大量的势能,起重机制动时也存在能量损耗,实践表明,起重机在工作过程中的能量利用率不足40%,大量的能量耗费在工作过程的无功功率状态,如何将大量的耗费能量进行回收再利用是起重机械领域节能减排研究的热点问题。
目前采取的方法主要有两种:一种是把起重机的发电的电能回馈到电网,另外一种是把电能储存到储能电池中去。采用直流母线加超级电容是一种很好的势能回收利用方法,但目前在势能回馈及能量利用策略上研究不足,起重机在轻载时由于动力源的输出功率能够满足负载所需功率,因此超级电容不参与工作,储存的能量未能消耗而导致势能回馈阶段能量不能回收,使安全电阻工作浪费了能量;重载时动力源的功率不能单独满足负载所需功率,从超级电容的能量作为补充,虽然超级电容的能量得到了利用,但利用不充分,并且由于负载的大小不同,超级电容的能量利用率也不相同(轻载时超级电容能量利用率为0),并未起到节约能量的最大效果。因此,提供一种结构合理、使用方便、有效节能、能源利用效率高、经济效益好的混合动力起重机节能系统是非常有必要的。
发明内容
本发明的目的是针对现有混合动力起重机超级电容充放电控制策略的不足,提出了一种基于超级电容组作为储能系统的混合动力系统及其工作方法,利用该系统和相应的工作方法可以有效的解决混合动力储能系统节能效率低的缺点,使节能效率达到50%及以上,同时也能保证系统的安全性。
本发明的目的是通过以下技术措施实现的。
一种基于超级电容组的混合动力系统,包括主动力系统、辅动力系统、能源消耗及生成系统和直流母线;
所述主动力系统包括动力源、整流装置及升压变频器,所述动力源为市电或柴油发电机组,所述整流装置将交流电转换成直流电,所述升压变频器提升直流母线电压,同时用于控制动力源的输出功率;所述辅动力系统包括双向DC/DC变换器及超级电容组,所述双向DC/DC变换器安装在直流母线与超级电容组之间,能够改变能量流动方向,当系统耗能时,双向DC/DC变换器控制超级电容组能量流向直流母线,双向DC/DC变换器工作在BOOST模式下,实现升压功能;当系统产生能量时,双向DC/DC变换器控制直流母线的能量流向超级电容组,双向DC/DC变换器工作在BUCK模式下,实现降压功能,对超级电容进行充电;所述能源消耗及生成系统包括制动单元、安全电阻、逆变装置、起升机构、大车行走机构及小车行走机构,所述制动单元接在直流母线和安全电阻之间,所述逆变装置接在直流母线与起升机构、大车行走机构及小车行走机构之间,将直流电转变成交流电。
本发明还提供一种上述的基于超级电容组的混合动力系统的工作方法,该方法包括以下步骤:
(1)设置基准电压U1、U2、U3、U4,U1<U2<U3<U4,U1为非工作区电压,按升压变频器承受的安全电流大小进行动态计算确定,例:变频器的功率为Pb,能承受的最大电流为Ib,则U1=Pb/Ib;U2为二分之一混合工作区电压最大值,U3为递减混合区电压最大值,U4为独立工作区电压最大值,U2~U4根据负载所需要的功率大小、超级电容组的储能,按照负载所需能量的比值大小计算确定;
(2)检测超级电容组电压U;
(3)比较U与U1、U2、U3、U4的大小;
(4)若U≥U4,则打开制动单元,接通安全电阻,消耗多余的能量,保证系统的安全性;
(5)若U3<U<U4,则为独立工作区电压,此时负载功率全部由超级电容组提供,动力源输出接近于0;
(6)若U2<U≤U3,则为递减混合区电压,计算出负载功率,超级电容组提供的功率由100%逐渐递减至50%,动力源提供的功率由0逐渐递增至50%;
(7)若U1<U≤U2,则为二分之一混合工作区电压,计算出负载功率,超级电容组和动力源各提供二分之一负载所需功率;
(8)若U≤U1,则为非工作区电压,此时停止超级电容组放电,由动力源给超级电容组补充充电,保证超级电容组以及系统的安全。
本发明基于超级电容组的混合动力系统,采用新型智能能量控制策略实现最大限度的势能回收与利用。超级电容的容量与电压密切相关,因此工作方法以电压控制为主。所述基于超级电容组的混合动力系统是将市电或柴油发电机组作为主要动力源,将超级电容组回收的能量作为辅助动力源,通过直流母线与工作机构进行连接,升压变频器将直流母线的电压升高,有利于给超级电容充电且降低直流母线上的电流。通过超级电容的电压以及负载功率大小控制能量分配,本发明采用的电压工作区为:独立工作区电压、递减混合工作区电压、二分之一混合工作区电压和保护控制装置的非工作区电压。独立工作区电压为U3~U4,递减混合区电压为U2~U3,二分之一混合工作区电压U1~U2,其中,U2~U4根据不同的负载、电容组进行计算确定,U1可以设为固定值也可以根据控制装置承受的安全电流大小进行动态计算确定。这种工作方法在第一阶段是100%由超级电容供能、第二阶段超级电容大约占比75%、第三阶段占比50%,因此使用该系统节能50%以上理论上是存在的,不分负载大小,每一次循环都是如此。
本发明的优点在于:根据超级电容电压的大小(即能量的多少)设置不同的工作区域,每个工作区都能充分的利用超级电容的能量而减少动力源的能量输出,使综合节能达到50%以上。动力源根据超级电容组电压的变化改变输出电流,调整输出功率,使超级电容组回收的能量能充分利用,从而极大的增强了混合动力系统的节能效果,可以大量节约用电成本,降低能源损耗,提高港口经济效益。
附图说明
图1为本发明系统的结构示意图。
图2为本发明系统的工作方法的流程示意图。
具体实施方式
为了使本发明的技术手段、创作特征和目的易于了解,下面对本发明作进一步的阐述。
如图1所示,本实施例提供一种基于超级电容组的混合动力系统,包括主动力系统1、辅动力系统2、能源消耗及生成系统3和直流母线4;
所述主动力系统1包括动力源1.1、整流装置1.2及升压变频器1.3,所述动力源1.1为市电或柴油发电机组,所述整流装置1.2将交流电转换成直流电,所述升压变频器1.3提升直流母线4电压,同时用于控制动力源1.1的输出功率;所述辅动力系统2包括双向DC/DC变换器2.1及超级电容组2.2,所述双向DC/DC变换器2.1安装在直流母线4与超级电容组2.2之间,能够改变能量流动方向,当系统耗能时,双向DC/DC变换器2.1控制超级电容组2.2能量流向直流母线4,双向DC/DC变换器工作在BOOST模式下,实现升压功能;当系统产生能量时,双向DC/DC变换器2.1控制直流母线4的能量流向超级电容组2.2,双向DC/DC变换器工作在BUCK模式下,实现降压功能,对超级电容进行充电;所述能源消耗及生成系统3包括制动单元3.1、安全电阻3.2、逆变装置3.3、起升机构3.4、小车行走机构3.5及大车行走机构3.6,所述制动单元3.1接在直流母线4和安全电阻3.2之间,所述逆变装置3.3接在直流母线4与起升机构3.4、小车行走机构3.5及大车行走机构3.6之间,将直流电转变成交流电。
如图2所示,本实施例还提供一种上述的基于超级电容组的混合动力系统的工作方法,该方法包括以下步骤:
(1)设置基准电压U1、U2、U3、U4,U1<U2<U3<U4,U1为非工作区电压,按升压变频器承受的安全电流大小进行动态计算确定,例:变频器的功率为Pb,能承受的最大电流为Ib,则U1=Pb/Ib;U2为二分之一混合工作区电压最大值,U3为递减混合区电压最大值,U4为独立工作区电压最大值,U2~U4按不同的配置进行计算确定,例:根据稳定状态下直流母线的电流和电压大小,计算出直流母线上的功率,从而确定负载所需要的功率大小,之后再检测出超级电容组的电压值,根据Q=1/2CU2 计算出超级电容组的储能,将该储能与负载所需能量进行对比,按照负载所需能量的比值大小设定不同的基准电压值U2~U4;
(2)检测超级电容组电压U;
(3)比较U与U1、U2、U3、U4的大小;
(4)若U≥U4,则打开制动单元,接通安全电阻,消耗多余的能量,保证系统的安全性;
(5)若U3<U<U4,则为独立工作区电压,此时负载功率全部由超级电容组提供,动力源输出接近于0,节能接近于100%;
(6)若U2<U≤U3,则为递减混合区电压,计算出负载功率,超级电容组提供的功率由100%逐渐递减至50%,动力源提供的功率由0逐渐递增至50%,节能大约为75%;
(7)若U1<U≤U2,则为二分之一混合工作区电压,计算出负载功率,超级电容组和动力源各提供二分之一负载所需功率,节能50%;
(8)若U≤U1,则为非工作区电压,此时停止超级电容组放电,由动力源给超级电容组补充充电,保证超级电容组以及系统的安全。
本说明书中未作详细描述的内容,属于本专业技术人员公知的现有技术。
最后,应当指出,以上所揭露的仅为本发明较佳实施例而已,当然不能以此来限定本发明之权利范围,因此依本发明权利要求所作的等同变化,仍属本发明所涵盖的范围。

Claims (2)

1.一种基于超级电容组的混合动力系统,其特征在于:包括主动力系统(1)、辅动力系统(2)、能源消耗及生成系统(3)和直流母线(4);
所述主动力系统(1)包括动力源(1.1)、整流装置(1.2)及升压变频器(1.3),所述动力源(1.1)为市电或柴油发电机组,所述整流装置(1.2)将交流电转换成直流电,所述升压变频器(1.3)提升直流母线(4)电压,同时用于控制动力源(1.1)的输出功率;所述辅动力系统(2)包括双向DC/DC变换器(2.1)及超级电容组(2.2),所述双向DC/DC变换器(2.1)安装在直流母线(4)与超级电容组(2.2)之间,能够改变能量流动方向,当系统耗能时,双向DC/DC变换器(2.1)控制超级电容组(2.2)能量流向直流母线(4),双向DC/DC变换器工作在BOOST模式下,实现升压功能;当系统产生能量时,双向DC/DC变换器(2.1)控制直流母线(4)的能量流向超级电容组(2.2),双向DC/DC变换器工作在BUCK模式下,实现降压功能,对超级电容进行充电;所述能源消耗及生成系统(3)包括制动单元(3.1)、安全电阻(3.2)、逆变装置(3.3)、起升机构(3.4)、小车行走机构(3.5)及大车行走机构(3.6),所述制动单元(3.1)接在直流母线(4)和安全电阻(3.2)之间,所述逆变装置(3.3)接在直流母线(4)与起升机构(3.4)、小车行走机构(3.5)及大车行走机构(3.6)之间,将直流电转变成交流电。
2.一种如权利要求1所述的基于超级电容组的混合动力系统的工作方法,其特征在于该方法包括以下步骤:
(1)设置基准电压U1、U2、U3、U4,U1<U2<U3<U4,U1为非工作区电压,U1按升压变频器承受的安全电流大小进行动态计算确定,U2为二分之一混合工作区电压最大值,U3为递减混合区电压最大值,U4为独立工作区电压最大值,U2~U4根据负载所需要的功率大小、超级电容组的储能,按照负载所需能量的比值大小计算确定;
(2)检测超级电容组电压U;
(3)比较U与U1、U2、U3、U4的大小;
(4)若U≥U4,则打开制动单元,接通安全电阻,消耗多余的能量,保证系统的安全性;
(5)若U3<U<U4,则为独立工作区电压,此时负载功率全部由超级电容组提供,动力源输出接近于0;
(6)若U2<U≤U3,则为递减混合区电压,计算出负载功率,超级电容组提供的功率由100%逐渐递减至50%,动力源提供的功率由0逐渐递增至50%;
(7)若U1<U≤U2,则为二分之一混合工作区电压,计算出负载功率,超级电容组和动力源各提供二分之一负载所需功率;
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