CN113911913A - 基于混合储能的轮胎式龙门吊动力系统及其控制策略 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于混合储能的轮胎式龙门吊动力系统及其控制策略。该系统主要由超级电容组、锂电池组、PCS储能变流器、双向DC‑DC变换器及能量管理控制系统等构成。通过PCS储能变流器、双向DC‑DC变换器、整流器与直流公用母线完成混合储能与龙门吊动力系统、辅助用电的能量交换。本发明利用了锂电池高比能的特性，全完取代柴油发电机组，使龙门吊具备长时间作业能力；利用超级电容高比功率、高循环寿命特性，在龙门吊起升时提供峰值功率，再生制动时承担所有的制动能量，有效降低锂电池组放电功率和充放电频次，延长锂电池组使用寿命。
Description
技术领域
本发明涉及港口轮胎式集装箱龙门吊供电系统领域，具体涉及一种基于混合储能的轮胎式龙门吊动力系统及其控制策略。
背景技术
在全球推动应对气候变化等因素共同作用下，港口能源清洁低碳发展大势已成。轮胎式龙门吊(RTG)作为集装箱码头堆场中主要的装卸设备，实现电能替代潜力大。
公告号为CN 201726136 U的专利说明书公开了一种调节发电机组和储能元件输出的中央控制系统，包括柴油发电机组和龙门吊，所述发电机组和龙门吊之间串接有整流器和逆变器，所述整流器和逆变器之间由直流母线电连接，直流母线上并联有具有储能功能的储能元件和具有消耗多余能量的耗能电阻，所述龙门吊电连接有龙门吊控制装置，该龙门吊控制装置电连接有电源管理系统，电源管理系统分别与发电机组和储能元件电连接。
公开号为CN 112865274 A的专利说明书公开了一种燃料电池-锂电池驱动的龙门吊电路结构及控制方法。龙门吊电路主要由燃料电池供电电路、超级电容供电电路、锂电池供电电路、直流母线电路、负载电路以及其他辅件电路组成，通过母线电路将燃料电池电路、超级电容电路、锂电池供电与负载电路连接起来，电路内部包括各种电流、电压传感器、直流变换器、熔断器、继电器、能量管理控制器等。在传统龙门吊电路的基础上增加了燃料电池、超级电容、锂电池供电电路，有效利用了燃料电池效率高且清洁无污染的特点；利用了超级电容高功率密度的特性，解决龙门吊提升重物的瞬间出现供电不足的问题，并且高效回收了重释放时的再生能量。
近年来各港口都已积极推进RTG“油改电”工程建设。这种技术虽然实现了用市电取代柴油发电机作为RTG的动力，但还存在以下问题：
1)某些港口受供电系统或投资规模限制，无法应用“油改电”技术；2)“油改电”龙门吊无法完成转场作业，为满足转场作业的需求，港口常配置一定数量的混合动力(柴发+锂电)龙门吊，无法实现全港口龙门吊“零排放”；
3)龙门吊起升/下降频繁且瞬时功率可达300kW以上，对于“油改电”龙门吊，存在对电网的冲击；对于混合动力龙门吊，锂电池组往往无法同时满足高比能、高倍率以及长寿命的要求。
发明内容
针对上述技术问题以及本领域存在的不足之处，本发明提供了一种基于混合储能的轮胎式龙门吊动力系统，结合超级电容及锂离子电池优势，控制简单，满足龙门吊运行灵活且零排放的需求。
一种基于混合储能的轮胎式龙门吊动力系统，包括锂电池组、PCS储能变流器、辅助用电、升压变压器、整流器、直流公用母线、超级电容组、双向DC-DC变换器、起升变频器、大车变频器、小车变频器、制动电阻及能量管理控制系统；
锂电池组与PCS储能变流器直流侧相连，PCS储能变流器交流侧经交流接触器后，一路直接供辅助用电，另一路经升压变压器与整流器交流侧相连；整流器输出端为直流公用母线；
直流公用母线分别与起升变频器、大车变频器、小车变频器直流输入端相连；起升变频器、大车变频器、小车变频器交流输出端分别连接起升电机、大车电机、小车电机；
超级电容组与双向DC-DC变换器低压输入端相连，双向DC-DC变换器高压输出端经直流接触器接入直流公用母线。
制动电阻经开关电路接入直流公用母线；
能量管理控制系统为所述基于混合储能的轮胎式龙门吊动力系统的控制中枢，负责所述基于混合储能的轮胎式龙门吊动力系统的能量调度与监控，与龙门吊PLC、锂电池组BMS(电池管理系统)、超级电容CMS(电容管理系统)、PCS储能变流器及双向DC-DC变换器连接，汇集龙门吊PLC、锂电池组BMS、超级电容CMS、PCS储能变流器及双向DC-DC变换器状态，根据龙门吊不同工作状态的能量需求、直流公用母线电压以及锂电池组与超级电容组的SOC(荷电状态)，对所述基于混合储能的轮胎式龙门吊动力系统进行控制。
龙门吊作业所需的动力主要由锂电池组供给，当锂电池组功率无法满足龙门吊需求时，由超级电容组补充，另外超级电容组可储存龙门吊下降时产生的再生能量。
PCS储能变流器直流侧接锂电池组，可输出固定频率和电压的三相交流电，实现对交流侧负荷包括PLC、照明、空调等辅助系统以及整流器的持续供电。
三相交流电经整流器整流后接直流公用母线，直流公用母线上接双向DC-DC变换器高压侧、起升变频器直流侧、大车变频器直流侧、小车变频器直流侧；起升变频器将直流电转换为频率可调的三相交流电供起升电机使用；大车变频器将直流电转换为频率可调的三相交流电供大车电机使用；小车变频器将直流电转换为频率可调的三相交流电供小车电机使用；起升电机用于提升、释放重物；小车电机用于平行移动重物；大车电机用于龙门吊转场移动。
双向DC-DC变换器高压侧与直流公用母线连接，低压侧与超级电容组连接，控制超级电容组充、放电电流，维持并稳定直流公用母线电压稳定。
制动电阻和开关电路串联后接入直流公用母线，通过控制开关电路的导通与关闭可实现多余再生能量的消耗。
在一优选例中，锂电池组为磷酸铁锂电池组，由多个模组串/并联而成，总容量606Ah，标称电压550V。
在一优选例中，超级电容组为锂离子电容器组，额定容量416F，额定功率300kW，可储存能量7.3kWh。
在一优选例中，所述锂离子电容器组由24个24V-10000F模组24串1并组成，其中24V-10000F模组由36只4V-10000F超级电容单体6串6并组成。
在一优选例中，辅助用电为龙门吊PLC、照明系统、空调系统、辅助油泵系统供电。
在一优选例中，PCS储能变流器额定功率300kW，直流电压工作范围550～1000V，交流侧电压380V，频率50Hz。
在一优选例中，双向DC-DC变换器额定功率200kW，低压侧电压工作范围24～670Vdc，高压侧电压工作范围540～720Vdc，额定电流400A。
在一优选例中，能量管理控制系统通过硬接线与龙门吊PLC连接，用于接收龙门吊PLC状态以及传递所述基于混合储能的轮胎式龙门吊动力系统状态，通过CAN通信协议与超级电容CMS、锂电池组BMS、PCS储能变流器及双向DC-DC变换器通信。
本发明还提供了一种所述的基于混合储能的轮胎式龙门吊动力系统的控制策略，控制过程中涉及以下参数:锂电池组的荷电状态SOCb，超级电容组的荷电状态SOCc，直流公用母线电压Ubus，超级电容组启动放电提供功率补偿时的直流公用母线电压阈值Ubus-low，超级电容组启动充电回收再生能量时的直流公用母线电压阈值Ubus-high，超级电容组SOCc过低或过高时的直流公用母线充放电电压阈值Ubus-soc；
PCS储能变流器采用V/F控制模式，保持交流侧电压、频率稳定，控制锂电池组为龙门吊提供稳定的基础功率支撑；双向DC-DC变换器采用电流控制模式，根据直流公用母线设定的各电压阈值，结合超级电容组过压、欠压保护，实现超级电容组充、放电电流可控；
所述控制策略包括五种工作模式，分别为:
1)锂电池组独立供电:龙门吊处于稳定用电工况，Ubus-high≥Ubus≥Ubus-low，超级电容组不参与工作，所有能量均由锂电池组提供；
2)锂电池组与超级电容组共同供电:龙门吊处于起升或大车启动过程中，当Ubus＜Ubus-low时，超级电容组提供功率补偿，保障锂电池组可以＜0.5C的稳定电流放电，与锂电池组共同供电；
3)超级电容组再生能量回收:龙门吊处于下降或大车制动过程中，再生能量导致直流公用母线电压上升，当Ubus＞Ubus-high时，超级电容组回收再生能量；
4)超级电容组充放电:控制超级电容组SOCc在一定范围内以保证超级电容组至少具备一次起升时的功率补偿或一次下降时再生能量的回收能力；设置直流公用母线充放电电压阈值Ubus-soc，当Ubus＜Ubus-soc且超级电容组SOCc＞90％时，控制双向DC-DC变换器使超级电容组放电直至SOCc＜80％，当Ubus＞Ubus-soc且超级电容组SOCc＜10％时，控制双向DC-DC变换器使超级电容组充电直至SOCc＞20％；
5)锂电池组充电:当锂电池组SOCb＜35％时，控制PCS储能变流器使锂电池组充电直至SOCb≥95％；当锂电池组SOCb＜20％时，不允许龙门吊动作以防止锂电池组过放损坏。
本发明的基于混合储能的轮胎式龙门吊动力系统通过PCS储能变流器、双向DC-DC变换器、整流器与直流公用母线完成混合储能与龙门吊动力系统、辅助用电的能量交换。本发明利用了锂电池高比能的特性，全完取代柴油发电机组，使龙门吊具备长时间作业能力；利用超级电容高比功率、高循环寿命特性，在龙门吊起升时提供峰值功率，再生制动时承担所有的再生能量，有效降低锂电池组放电功率和充放电频次，延长锂电池组使用寿命。
本发明与现有技术相比，主要优点包括：
1、采用混合储能为龙门吊作业提供动力，可实现龙门吊零排放的同时，保证优异的机动灵活性，实现全堆场调度；
2、混合储能技术兼顾了超级电容高比功率、高循环寿命以及锂电池高比能的特性，并通过适应于龙门吊用电特性的能量管理控制策略，可延长锂电池使用寿命、提高龙门吊持续作业能力、并回收再生能量；
3、区别于传统混合储能系统拓扑结构，将锂电池组和超级电容组分别通过PCS储能变流器以及双向DC-DC变换器接入系统，实现两者解耦，无需复杂的控制策略，即可实现混合储能系统的协调控制；
4、提供了一种区别于“油改电”工程的龙门吊改造方案，无需庞大的基础设施，降低了投资成本。
附图说明
图1为实施例的基于混合储能的轮胎式龙门吊动力系统的示意图。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。下列实施例中未注明具体条件的操作方法，通常按照常规条件，或按照制造厂商所建议的条件。
如图1所示，本实施例的基于混合储能的轮胎式龙门吊动力系统，包括锂电池组1、PCS储能变流器2、辅助用电4、升压变压器5、整流器6、直流公用母线7、超级电容组8、双向DC-DC变换器9、起升变频器11、大车变频器12、小车变频器13、制动电阻17及能量管理控制系统19；
锂电池组1与PCS储能变流器2直流侧相连，PCS储能变流器2交流侧固定频率和电压(50Hz-380V)的三相交流电，经交流接触器3后，一路直接供辅助用电4，另一路经380V/440V升压变压器5与整流器6交流侧相连；整流器6输出端为直流公用母线7；
直流公用母线7分别与起升变频器11、大车变频器12、小车变频器13直流输入端相连；起升变频器11、大车变频器12、小车变频器13交流输出端分别连接起升电机14、大车电机15、小车电机16；
超级电容组8与双向DC-DC变换器9低压输入端相连，双向DC-DC变换器9高压输出端经直流接触器10接入直流公用母线7。
制动电阻17经开关电路18接入直流公用母线7；
能量管理控制系统19为所述基于混合储能的轮胎式龙门吊动力系统的控制中枢，负责所述基于混合储能的轮胎式龙门吊动力系统的能量调度与监控，与龙门吊PLC、锂电池组BMS、超级电容CMS、PCS储能变流器2及双向DC-DC变换器9连接，汇集龙门吊PLC、锂电池组BMS、超级电容CMS、PCS储能变流器2及双向DC-DC变换器9状态，根据龙门吊不同工作状态的能量需求、直流公用母线7电压以及锂电池组1与超级电容组8的SOC，对所述基于混合储能的轮胎式龙门吊动力系统进行控制。
锂电池组1为磷酸铁锂电池组，由多个模组串/并联而成，总容量606Ah，标称电压550V。
超级电容组8为锂离子电容器组，额定容量416F，额定功率300kW，可储存能量7.3kWh。
所述锂离子电容器组由24个24V-10000F模组24串1并组成，其中24V-10000F模组由36只4V-10000F超级电容单体6串6并组成。
380V辅助用电4为龙门吊PLC、照明系统、空调系统、辅助油泵系统供电。
PCS储能变流器2额定功率300kW，直流电压工作范围550～1000V，交流侧电压380V，频率50Hz。
双向DC-DC变换器9额定功率200kW，低压侧电压工作范围24～670Vdc，高压侧电压工作范围540～720Vdc，额定电流400A。
能量管理控制系统19通过硬接线与龙门吊PLC连接，用于接收龙门吊PLC状态以及传递所述基于混合储能的轮胎式龙门吊动力系统状态，通过CAN通信协议与超级电容CMS、锂电池组BMS、PCS储能变流器2及双向DC-DC变换器9通信。
上述基于混合储能的轮胎式龙门吊动力系统的控制策略，控制过程中涉及以下参数：锂电池组1的荷电状态SOCb，超级电容组2的荷电状态SOCc，直流公用母线7电压Ubus，超级电容组2启动放电提供功率补偿时的直流公用母线7电压阈值Ubus-low，超级电容组2启动充电回收再生能量时的直流公用母线7电压阈值Ubus-high，超级电容组2SOCc过低或过高时的直流公用母线7充放电电压阈值Ubus-soc；
PCS储能变流器2采用V/F控制模式，保持交流侧电压、频率稳定，控制锂电池组1为龙门吊提供稳定的基础功率支撑；双向DC-DC变换器9采用电流控制模式，根据直流公用母线7设定的各电压阈值，结合超级电容组2过压、欠压保护，实现超级电容组2充、放电电流可控；
所述控制策略包括五种工作模式，分别为：
1)锂电池组1独立供电：龙门吊处于稳定用电工况，Ubus-high≥Ubus≥Ubus-low，超级电容组8不参与工作，所有能量均由锂电池组1提供；
2)锂电池组1与超级电容组8共同供电：龙门吊处于起升或大车启动过程中，当Ubus＜Ubus-low时，超级电容组8提供功率补偿，保障锂电池组1可以＜0.5C的稳定电流放电，与锂电池组1共同供电；
3)超级电容组8再生能量回收：龙门吊处于下降或大车制动过程中，再生能量导致直流公用母线7电压上升，当Ubus＞Ubus-high时，超级电容组8回收再生能量；
4)超级电容组8充放电：控制超级电容组8SOCc在一定范围内以保证超级电容组8至少具备一次起升时的功率补偿或一次下降时再生能量的回收能力；设置直流公用母线7充放电电压阈值Ubus-soc，当Ubus＜Ubus-soc且超级电容组8SOCc＞90％时，控制双向DC-DC变换器9使超级电容组8放电直至SOCc＜80％，当Ubus＞Ubus-soc且超级电容组8SOCc＜10％时，控制双向DC-DC变换器9使超级电容组8充电直至SOCc＞20％；
5)锂电池组1充电：当锂电池组1SOCb＜35％时，控制PCS储能变流器2使锂电池组1充电直至SOCb≥95％；当锂电池组1SOCb＜20％时，不允许龙门吊动作以防止锂电池组1过放损坏。
与锂电池组和超级电容组均通过双向DC-DC变换器并联于直流母线的主动控制拓扑结构相比，本发明具有以下优先：
1、将锂电池组置于交流侧，超级电容组置于直流侧，实现了两者解耦，无需复杂的控制策略，即可实现混合储能系统的协调控制。若采用主动控制拓扑结构，则势必对龙门吊需求功率进行计算，并基于不同的工作模式实现混合储能的功率分配。而龙门吊工况复杂，不同的载重下的需求功率差别巨大，需求功率分配控制策略极大程度上影响了混合储能系统的运行效果，进而影响锂电池组寿命。
2、锂电池组与直流公用母线处于隔离状态，再生能量全部由超级电容组承担，极大程度改善锂电池组使用工况，延长其使用寿命。
此外应理解，在阅读了本发明的上述描述内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。
Claims (9)
1.一种基于混合储能的轮胎式龙门吊动力系统，其特征在于，包括锂电池组(1)、PCS储能变流器(2)、辅助用电(4)、升压变压器(5)、整流器(6)、直流公用母线(7)、超级电容组(8)、双向DC-DC变换器(9)、起升变频器(11)、大车变频器(12)、小车变频器(13)、制动电阻(17)及能量管理控制系统(19)；
锂电池组(1)与PCS储能变流器(2)直流侧相连，PCS储能变流器(2)交流侧经交流接触器(3)后，一路直接供辅助用电(4)，另一路经升压变压器(5)与整流器(6)交流侧相连；整流器(6)输出端为直流公用母线(7)；
直流公用母线(7)分别与起升变频器(11)、大车变频器(12)、小车变频器(13)直流输入端相连；起升变频器(11)、大车变频器(12)、小车变频器(13)交流输出端分别连接起升电机(14)、大车电机(15)、小车电机(16)；
超级电容组(8)与双向DC-DC变换器(9)低压输入端相连，双向DC-DC变换器(9)高压输出端经直流接触器(10)接入直流公用母线(7)；
制动电阻(17)经开关电路(18)接入直流公用母线(7)；
能量管理控制系统(19)为所述基于混合储能的轮胎式龙门吊动力系统的控制中枢，负责所述基于混合储能的轮胎式龙门吊动力系统的能量调度与监控，与龙门吊PLC、锂电池组BMS、超级电容CMS、PCS储能变流器(2)及双向DC-DC变换器(9)连接，汇集龙门吊PLC、锂电池组BMS、超级电容CMS、PCS储能变流器(2)及双向DC-DC变换器(9)状态，根据龙门吊不同工作状态的能量需求、直流公用母线(7)电压以及锂电池组(1)与超级电容组(8)的SOC，对所述基于混合储能的轮胎式龙门吊动力系统进行控制。
2.根据权利要求1所述的基于混合储能的轮胎式龙门吊动力系统，其特征在于，锂电池组(1)为磷酸铁锂电池组，由多个模组串/并联而成，总容量606Ah，标称电压550V。
3.根据权利要求1所述的基于混合储能的轮胎式龙门吊动力系统，其特征在于，超级电容组(8)为锂离子电容器组，额定容量416F，额定功率300kW，可储存能量7.3kWh。
4.根据权利要求3所述的基于混合储能的轮胎式龙门吊动力系统，其特征在于，所述锂离子电容器组由24个24V-10000F模组24串1并组成，其中24V-10000F模组由36只4V-10000F超级电容单体6串6并组成。
5.根据权利要求1所述的基于混合储能的轮胎式龙门吊动力系统，其特征在于，辅助用电(4)为龙门吊PLC、照明系统、空调系统、辅助油泵系统供电。
6.根据权利要求1所述的基于混合储能的轮胎式龙门吊动力系统，其特征在于，PCS储能变流器(2)额定功率300kW，直流电压工作范围550～1000V，交流侧电压380V，频率50Hz。
7.根据权利要求1所述的基于混合储能的轮胎式龙门吊动力系统，其特征在于，双向DC-DC变换器(9)额定功率200kW，低压侧电压工作范围24～670Vdc，高压侧电压工作范围540～720Vdc，额定电流400A。
8.根据权利要求1所述的基于混合储能的轮胎式龙门吊动力系统，其特征在于，能量管理控制系统(19)通过硬接线与龙门吊PLC连接，用于接收龙门吊PLC状态以及传递所述基于混合储能的轮胎式龙门吊动力系统状态，通过CAN通信协议与超级电容CMS、锂电池组BMS、PCS储能变流器(2)及双向DC-DC变换器(9)通信。
9.一种根据权利要求1～8任一权利要求所述的基于混合储能的轮胎式龙门吊动力系统的控制策略，其特征在于，控制过程中涉及以下参数：锂电池组(1)的荷电状态SOCb，超级电容组(2)的荷电状态SOCc，直流公用母线(7)电压Ubus，超级电容组(2)启动放电提供功率补偿时的直流公用母线(7)电压阈值Ubus-low，超级电容组(2)启动充电回收再生能量时的直流公用母线(7)电压阈值Ubus-high，超级电容组(2)SOCc过低或过高时的直流公用母线(7)充放电电压阈值Ubus-soc；
PCS储能变流器(2)采用V/F控制模式，保持交流侧电压、频率稳定，控制锂电池组(1)为龙门吊提供稳定的基础功率支撑；双向DC-DC变换器(9)采用电流控制模式，根据直流公用母线(7)设定的各电压阈值，结合超级电容组(2)过压、欠压保护，实现超级电容组(2)充、放电电流可控；
所述控制策略包括五种工作模式，分别为：
1)锂电池组(1)独立供电：龙门吊处于稳定用电工况，Ubus-high≥Ubus≥Ubus-low，超级电容组(8)不参与工作，所有能量均由锂电池组(1)提供；
2)锂电池组(1)与超级电容组(8)共同供电：龙门吊处于起升或大车启动过程中，当Ubus＜Ubus-low时，超级电容组(8)提供功率补偿，保障锂电池组(1)可以＜0.5C的稳定电流放电，与锂电池组(1)共同供电；
3)超级电容组(8)再生能量回收：龙门吊处于下降或大车制动过程中，再生能量导致直流公用母线(7)电压上升，当Ubus＞Ubus-high时，超级电容组(8)回收再生能量；
4)超级电容组(8)充放电：控制超级电容组(8)SOCc在一定范围内以保证超级电容组(8)至少具备一次起升时的功率补偿或一次下降时再生能量的回收能力；设置直流公用母线(7)充放电电压阈值Ubus-soc，当Ubus＜Ubus-soc且超级电容组(8)SOCc＞90％时，控制双向DC-DC变换器(9)使超级电容组(8)放电直至SOCc＜80％，当Ubus＞Ubus-soc且超级电容组(8)SOCc＜10％时，控制双向DC-DC变换器(9)使超级电容组(8)充电直至SOCc＞20％；
5)锂电池组(1)充电：当锂电池组(1)SOCb＜35％时，控制PCS储能变流器(2)使锂电池组(1)充电直至SOCb≥95％；当锂电池组(1)SOCb＜20％时，不允许龙门吊动作以防止锂电池组(1)过放损坏。
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