CN112769330A - 一种港口吊机储能型再生制动能量回收结构及控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及储能技术技术领域，尤其涉及一种港口吊机储能型能量吸收与回馈结构及控制方法，包括输入开关保险单元，主储能电单元，双向DC/DC变换器1，辅助储能单元，双向DC/DC变换器2，控制单元，滤波电容C1、C2、L1，所述输入开关保险单元起过流保护及开关隔离作用。主储能单元和辅助储能单元，可由超级电容或锂电池组成，双向DC/DC变换器1和双向DC/DC变换器2为非隔离结构BUCK/BOOST结构，控制单元实现对双向DC/DC变换器1和双向DC/DC变换器2的控制,采用PWM控制。本发明中双向DC/DC变换器的变换功率较通用的全功率结构方式有极大降低，变换功率是经典结构变换功率的20‑30%。实现产品制造成本降低，提高系统总体效率。

Description

一种港口吊机储能型再生制动能量回收结构及控制方法
技术领域
本发明涉及储能技术技术领域，尤其涉及一种港口吊机储能型再生制动能量回收结构及控制方法。
背景技术
码头吊机供电系统当中，交流电网与备用发电机共同为吊车提供电能（或交流电网及发电机单独供电）。采用变频器驱动电机时，一般将交流电整流成直流电（直流母线）后，给各变频器供电，驱动电机。
码头集装箱吊车工作过程当中，起吊时，集装箱重量对于电网来讲，属于冲击负载，为了满足吊装负载的需求，往往电网容量（或发电机容量）需要按最大负载状况来配置。另一方面，在集装箱下落过程当中，吊车电机处于发电状态，其发电能量无法处理，一般都通过制动电阻消耗掉。
为了解决集装箱起吊和落吊过程当中负载对电网的冲击，可利用储能单元超级电容（或电池）进行能量平衡，即起吊时，将超级电容（或电池）当中的能量释放出来，减少电网的能量需求。在非起吊（落吊）时，给储能单元充电。
基于超级电容（或其他储能电池组）的储能型冲击负载补偿方式能够实现全功率范围内的能量平衡，且超级电容充电速度快,功率密度高,温度范围宽等优点,最能符合吊车起吊时间短,冲击功率大的特点,是目前码头集装箱吊装供电系统的重要研究方向。但在超级电容储能及释放过程当中，双向DC/DC变换器是必不可少的。参见图2，当供电直流母线电压升高时，通过双向DC/DC变换器向超级电容充电，将直流母线电压能量传递给超级电容。当直流直流母线电压降低时，通过双向DC/DC变换器再将超级电容能量输出到直流母线上。在此过程当中，双向DC/DC变换器承担着所有的功率调节。
直流母线输出经DC/DC变换器后，将其能量传递给储能模组，DC/DC变换器所承担的变换功率是直流母线转移的所有功率（P1=U1*I1），DC/DC变换器一般采用BUCK/BOOST升降压电路结构。由于直流母线电压较高,且DC/DC变换器变换功率很大。实际应用当中，DC/DC变换器开关频率只能在2kHz左右，体积庞大，价格高。提出新的储能模组能量回收结构，降低DC/DC变换器功率，提高开关频率，提高系统总体效率，是码头吊机再生制动能量回收方法关键技术之一。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有技术中存在的缺点，而提出的一种港口吊机储能型再生制动能量回收结构及控制方法。
为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：
一种港口吊机储能型能量吸收与回馈结构，包括输入开关保险单元，主储能电单元，双向DC/DC变换器1，辅助储能单元，双向DC/DC变换器2，控制单元，滤波电容C1、C2、L1，所述输入开关保险单元起过流保护及开关隔离作用，主储能单元和辅助储能单元，可由超级电容或锂电池组成，双向DC/DC变换器1和双向DC/DC变换器2为非隔离结构BUCK/BOOST结构，控制单元实现对双向DC/DC变换器1和双向DC/DC变换器2的控制,采用PWM控制；
直流母线正极（Ubus+）通过输入开关保险单元连接主储能单元正极，主储能单元负极连接双向DC/DC变换器1的A+极，双向DC/DC变换器1的A-极接参考地，滤波电容C2并联到双向DC/DC变换器1的A+极和A-极两端；
所述双向DC/DC变换器1的B+极接辅助储能单元正极，双向DC/DC变换器1的B-极和辅助储能单元负极接参考地；
所述双向DC/DC变换器1组成：VT1、VT2及L2构成BUCK/BOOST双向变换器；双向DC/DC变换器2组成：L3、VT4及VT3构成BOOST/BUCK双向变换器；
所述双向DC/DC变换器2的C+极接辅助储能单元正极，双向DC/DC变换器2的B-极接参考地，双向DC/DC变换器2的D+极接电感L1一端，电感L1另一端接主储能单元正极，双向DC/DC变换器2的D-极接参考地；
所述滤波电容C1并联到双向DC/DC变换器2的D+极和D-极两端，所述VT1-VT5为开关器件IGBT或MOSFET，内部带有二极管。
一种港口吊机储能型能量吸收与回馈结构的控制方法，当需要吸收直流母线能量时，所述直流母线电压Ubus，主储能单元电压U1，双向DC/DC变换器1A+和A-端电压U2，需满足Ubus≥(U1+U2)；
直流母线电压Ubus升高，达到设定值时，吸收能量开始；
当吊机下落集装箱时，驱动电机处于发电状态，直流母线电压Ubus升高，当Ubus达到设定值时，吸收能量开始；
控制单元采集Ubus,U1,U2及U3电压，控制双向DC/DC变换器1，调节I1电流大小（流出直流母线，按图1标记I1为负值），将直流母线上多余能量吸收存储在主储能单元和辅助储能单元内，以实现直流母线电压Ubus限定在一定最大值上；
当吊机起吊集装箱时，所需功率很大，会引起直流母线电压降低，当Ubus降到设定值时，回馈能量开始；
需要回馈储存能量时，所述直流母线电压Ubus，主储能电压U1，双向DC/DC变换器1A+和A-端电压U2，需满足(U1+U2)≥Ubus；
控制单元采集Ubus，U1,U2及U3电压，控制DC/DC变换器1，调节I1电流大小（流向直流母线，按图1标记I1为正值），将直流母线电压Ubus限定在一定最小值上，实现主储能单元和辅助储能单元内的能量回馈给直流母线。
优选的，通过控制双向DC/DC变换器1的输出电流来实现直流母线能量与储能单元之间的流动。
双向DC/DC变换器1端电压U2=Ubus-U1,(忽略直流母线及主储能单元的内阻压降),这样，双向DC/DC变换器1的变换功率仅为PDC=I1*(Ubus-U1)，较经典方案变换器功率（PDC=I1*Ubus）大幅降低。
U1与Ubus相近时，PDC很小，即通过较小的功率变换，控制调节很大的功率输出。
优选的，控制电路采集Ubus电压，U1及U2电压，通过电压外环（稳定Ubus，Ubusmax≥Ubus≥Ubusmin）,电流内环（I1电流恒定可控）的控制方式实现能量存储和回馈。
优选的，吸收能量时，双向DC/DC变换器1变换器输入能量来自直流母线，而输出能量储存在辅助储能单元内。在吸收能量时，主储能单元和辅助储能单元均进行储能工作；回馈能量时，双向DC/DC变换器变换器1输入能量来自辅助储能单元，而输出能量（I1）经主储能单元回馈到直流母线上，在回馈能量时，主储能单元和辅助储能单元均进行释放能量工作。
优选的，双向DC/DC变换器变换器2解决辅助储能单元容量与主储能单元容量匹配问题，在实际应用当中，直流母线电压升高的能量需要主储能单元和辅助储能单元共同来吸收存储，而储能单元有最大存储能力，因而主储能单元和辅助储能单元存储能力有一个合适的比例关系，为了防止运行过程当中，这个合适比例关系失调，设置了双向DC/DC变换器变换器2；
辅助储能单元容量过低，能量回馈时不能将主储能单元的能量最大限度的回馈到直流母线上，导致再次吸收时吸收的能量不足。此时，双向DC/DC变换器2给辅助储能单元进行充电。
辅助储能单元容量过高，辅助储能吸收能量有限，会导致主储能单元吸收能量不足，此时，双向DC/DC变换器2给辅助储能单元放电（能量送到直流母线上）。
双向DC/DC变换器2只承担着辅助储能单元与主储能单元容量匹配工作，其变换功率较小，约为双向DC/DC变换器1的20%。
优选的，双向DC/DC变换器1和双向DC/DC变换器2可由n组相同结构的DC/DC变换器串联或并联，实现功率扩展。串联或并联后，各组DC/DC变换器可采用交错并联，主从模式，下垂控制等均流均压控制方式。
本发明的有益效果为：
1、 本发明将双向DC/DC变换器1输出与主储能单元串联在一起，通过调节双向DC/DC变换器1输出电流，实现直流母线和储能单元之间的能量流动。直流母线电压与储能单元电压之差在一定的合理范围内（20-30%），双向DC/DC变换器1只需要输出其差值电压即可。所以，双向DC/DC变换器的变换功率较通用的全功率结构方式有极大降低，变换功率是经典结构变换功率的20-30%。实现产品制造成本降低，提高系统总体效率。
2、 由于双向DC/DC变换器1功率降低，输出电压降低，因此，功率器件选择范围变宽。变换器开关频率可大幅度增加，达到20kHz以上。减小DC/DC变换器体积。
附图说明
图1为本发明所述的一种港口吊机储能型能量吸收与回馈结构图；
图2为常规经典能量吸收回馈结构图；
图3为本发明实例所提供的吊车下落集装箱能量吸收电路模型；
图4为本发明实例所提供的吊车吊起集装箱能量回馈电路模型；
图5为本发明实例所提供的辅助储能单元充电电路模型；
图6为本发明实例所提供的辅助储能单元放电电路模型。
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一部分实施例，而不是全部的实施例。
参照图1-6，一种港口吊机储能型能量吸收与回馈结构及控制方法，包括输入开关保险单元，主储能单元，双向DC/DC变换器1，辅助储能单元，双向DC/DC变换器2，控制单元，滤波电容C1、C2、电感L1，输入开关保险单元起过流保护及开关隔离作用。主储能单元和辅助储能单元，可由超级电容或锂电池组成。双向DC/DC变换器1为BUCK/BOOST结构，双向DC/DC变换器2为BOOST/BUCK结构。控制单元实现对双向DC/DC变换器1和双向DC/DC变换器2的控制,采用PWM控制策略。
进一步地，直流母线正极（Ubus+）通过输入开关保险单元连接主储能单元正极，主储能单元负极连接双向DC/DC变换器1的A+极，双向DC/DC变换器1的A-极接参考地，滤波电容C2并联到双向DC/DC变换器1的A+极和A-极两端。
进一步地，双向DC/DC变换器1的B+极接辅助储能单元正极，双向DC/DC变换器1的B-极和辅助储能单元负极接参考地。
进一步地，VT1、VT2及L2构成BUCK/BOOST双向变换器；L3、VT4及VT3构成BOOST/BUCK双向变换器。
进一步地，双向DC/DC变换器2的C+极接辅助储能单元正极，双向DC/DC变换器2的C-极接参考地，双向DC/DC变换器2的D+极接电感L1一端，电感L1另一端接主储能单元正极，双向DC/DC变换器2的D-极接参考地，滤波电容C1并联到双向DC/DC变换器2的D+极和D-极两端。
一种港口吊机储能型能量吸收与回馈结构的控制方法中，通过控制DC/DC变换器1A+端电流I1来实现直流母线与储能单元之间的能量流动，当吊车下落集装箱时，电机处于发电状态，直流母线电压升高，Ubus≥(U1+U3)。控制单元采集Ubus,U1,U2及U3电压，控制双向DC/DC变换器1工作在BUCK模式，VT1以PMW控制方式工作，调节I1电流（按图3标记为负值）的大小，将直流母线上多余能量吸收存储在主储能单元和辅助储能单元内，直流母线电压Ubus限定在一定最大值上。
VT1开通时，电路模型如图3所示，直流母线电流经保险开关、主储能单元、VT1开关器件、辅助储能单元回到参考地。主储能单元和辅助储能吸收能量。
VT1关断时，电感L2电流经辅助储能单元、VT2内部二极管续流。
进一步地，当吊车起吊集装箱时，功率很大，直流母线电压降低，控制双向DC/DC变换器1工作在BOOST模式，VT2以PMW控制方式工作，调节I1电流（按图3标记为正值）的大小，将主储能单元和辅助储能单元内能量回馈到直流母线上，直流母线电压Ubus限定在一定最小值上。
VT2开通时，电路模型如图4所示。辅助储能单元经电感L2、VT2开关管形成通路，辅助储能单元放电，将能量存储在L2当中。
VT2关断时，L2电流经VT1内部二极管、主储能单元、保险开关单元进入直流母线。实现了主储能单元和辅助储能单元能量回馈到直流母线上。
进一步地，系统各部分电压需满足：（U1+U3）＜Ubusmin，防止主储能单元和辅助储能单元不受控的向直流母线回馈能量。
进一步地，通过双向DC/DC变换器2，形成辅助储能单元与直流母线之间的能量交换。
具体地，当辅助储能单元的能量过低时，双向DC/DC变换器2工作在BUCK模式，VT3以PMW控制方式工作，将直流母线能量传递到辅助储能单元上，以保持U3的稳定。
VT3开通时，电路模型如图5所示，电流经保险开关、电感L1、VT3开关器件、辅助储能单元回到参考地。辅助储能吸收能量。
VT3关断时，电感L3电流经辅助储能单元、VT4内部二极管续流。
具体地，当辅助储能单元的能量过高时，双向DC/DC变换器2工作在BOOST模式，VT4以PMW控制方式工作，将辅助储能单元上多余能量回馈到直流母线上，以保持U3的稳定。
VT4开通时，电路模型如图6所示。辅助储能单元经电感L3、VT4开关管形成通路，将能量存储在L3当中。
VT4关断时，L3电流经辅助储能单元、VT3内部二极管、L3、保险开关单元进入直流母线，形成续流。实现了辅助储能单元能量回馈到直流母线上。
进一步地，双向DC/DC变换器1和双向DC/DC变换器2可由n组相同结构的DC/DC变换器并联，实现功率扩展。
并联后，各组DC/DC变换器可采用交错并联，主从模式，下垂控制等均流控制方式。
进一步地，双向DC/DC变换器1的A+及A-间电压U2=Ubus-U1,(忽略直流母线及主储能单元的内阻压降),这样DC/DC变换器1的变换功率仅为PDC=I1*(Ubus-U1)，较经典方案变换器功率（P=I1*Ubus）大幅降低。即通过较小的功率变换，控制调节很大的功率输出。
特别的，对于700V吊机供电系统，设定Ubusmax=800V，Ubusmin=600V。控制电压上限为750V。为此，主储能单元电压550V，辅助储能单元电压150V。双向DC/DC变换器1功率Pdc=（750-550）*I1=200* I1。而经典技术方案Pdc1=750* I1。双向DC/DC变换器1功率只为经典技术方案变换器功率的27%。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种港口吊机储能型再生制动能量回收结构，包括输入开关保险单元，主储能电单元，双向DC/DC1变换器1，辅助储能单元，双向DC/DC2变换器2，控制单元，滤波电容C1、C2、电感L1；
所述的双向DC/DC变换器1的A+和A-端与所述的主储能电单元串联；
所述的双向DC/DC变换器1的B+和B-端与所述的辅助储能电单元并联；
所述的双向DC/DC变换器1由VT1、VT2及L2构成，VT1集电极接A+端，VT1发射极接VT2集电极和L2，L2另一端接B+端，VT2发射极接参考地；
所述的双向DC/DC变换器2由VT3、VT4及L3构成，VT3集电极接L1和C1，VT3发射极接VT4集电极和L3，L3另一端接B+端，VT4接发射极接参考地。
2.一种权利要求1所述的一种港口吊机储能型再生制动能量回收结构的控制方法，其特征在于，所述控制单元实现对双向DC/DC变换器1的A+端电流I1控制，实现直流母线电压稳定在设定值上。
3.根据权利要求2所述的一种港口吊机储能型再生制动能量回收结构的控制方法，其特征在于，所述控制单元实现对双向DC/DC变换器2的C+端和C-端电压控制。
4.根据权利要求2所述的一种港口吊机储能型再生制动能量回收结构的控制方法，其特征在于，所述双向DC/DC变换器1和双向DC/DC变换器2可由n组相同结构的DC/DC变换器并联，实现功率扩展，并联后，各组DC/DC变换器可采用交错并联，主从模式，下垂控制等均流控制方式。
5.根据权利要求1所述的一种港口吊机储能型再生制动能量回收结构的控制方法，其特征在于，所述主储能单元及辅助储能单元电压取值原则：U1+U3＜Ubusmin，其中U1为主储能单元电压，U3为辅助储能单元电压，Ubusmin为直流母线工作时最小电压。
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