轮胎式龙门起重机油电混合动力系统改造及应用效果

许升元 潘明德 颜飞

轮胎式龙门起重机（rubber-tyred gantry crane，RTG）具有作业灵活、占地面积小、工作效率高等优点，是当前多数集装箱码头堆场作业主要设备。传统RTG通过大功率柴油发电机组发电提供动能，存在油耗高、污染严重等问题。对RTG进行油电混合动力系统改造，以“大容量锂电池组+小功率柴油发电机组”替代原大功率柴油发电机组，使RTG依靠锂电池组储存的电量工作，并通过能量回馈，将起升机构下降及各机构减速过程中产生的再生能量回馈至锂电池组，从而实现降低能耗和码头运营成本的目的。

1 RTG油电混合动力系统改造

RTG油电混合动力系统改造采用大容量钛酸锂电池组和小功率柴油发电机组作为RTG供电系统。锂电池组容量为120 A h，电压为525 V，可为RTG转场提供电源;锂电池组直接向RTG整机变频器上的直流母排提供工作电源，同时势能可回馈至锂电池组。此外，增加恒压恒频辅助逆变电源系统，将直流母排上的直流电源逆变成三相交流电源，作为辅助电源供整机照明、控制等使用。锂电池组的充电电源为80 kW柴油发电机组或外部电源。柴油发电机组控制配电箱中设有柴油发电与市电充电切换开关;供电系统动力房内配有200 A、400 V三相航空插座，方便使用岸电快速充电。

1.1 锂电池组供电系统硬件构成

锂电池组供电系统（见图1）包括柴油发电机组、可控整流单元模块、DC-DC变换器、电池储能单元、辅助电源逆变器、正弦波滤波器等。

1.1.1 柴油发电机组

锂电池组供电系统使用80 kW小功率柴油发电机组替代原大功率柴油发电机组为锂电池储能单元充电。当锂电池组发生故障时，可切换至柴油发电机组直接供电，满足大车、小车和起升机构慢速运行用电需求和空调、照明、通信等辅助用电需求。本项目柴油发电机组中的柴油发动机和发电机分别选用康明斯柴油发动机和斯坦福发电机。

1.1.2 可控整流单元模块

将起升变频器二极管整流部分改造为可控整流单元模块，使其具有整流、限流、升压和稳压作用，具体表现为：将柴油发电机组输出的400 V交流电源整流成所需的直流电源;将电压提升至所需电压并保持电压稳定;限制电流，防止在起升机构重载上升时发电机组过载熄火，使发电机组始终处于最佳工作状态，从而提高发电效率。本项目可控整流单元模块选用VACON 品牌、400 V主动前端整流器和LCL滤波器。

1.1.3 DC-DC变换器

DC-DC变换器采用双向架构，其作用在于维持并稳定直流母线电压，限制充放电电流，防止电池过充电或过放电，从而延长电池使用寿命，增强系统灵活性。本项目DC-DC变换器选用市场上广泛使用的优质品牌，电池侧额定电流为675 A，电池侧电压为400～600 V，母线侧电压为500～720 V，输出功率为300 kW。

1.1.4 电池储能单元

电池储能单元采用钛酸锂电池，在为RTG整机提供动力源的同时，还能将起升机构下降时产生的勢能转换为动能。当电池管理系统检测到电池电量低时，可编程逻辑控制器启动整流单元和柴油发电机组，为电池储能单元充电。本项目电池储能单元选用日本东芝原装进口钛酸锂电池和电池管理单元，锂电池组容量为120 A h，电压为525 V。

1.1.5 辅助电源逆变器

辅助电源逆变器将直流电源逆变成三相交流电源，为可编程逻辑控制器、照明设备等提供辅助电源。本项目采用VACON品牌110 kW、400 V辅助电源逆变器。

1.1.6 正弦波滤波器

正弦波滤波器的作用是过滤逆变器所输出三相电源的谐波，使其更接近三相正弦波交流电源，从而消除谐波电压对电子控制设备的影响，提高辅助供电质量。本项目选用国内某知名品牌额定电流为200 A的滤波器。

1.2 锂电池组供电系统动力房布置

如图2所示：锂电池组供电系统动力房布置在RTG原动力房安装位置;在改造安装平台内设置可收放维修平台，收放机构操作简便，并且不干涉其他装置。RTG原发电机房外侧留有宽800 mm左右的走道，在朝内一侧设置可收放维修平台。新改造的80 kW柴油发电机房尺寸为2 600 mm？ 280 mm？2 600 mm，质量为2.3 t，自带平台和可收放维修通道。新动力房安装在原动力房平台梁的中央，长度方向中心线与平台梁中心线平齐，确保负载平衡。原动力房宽约2.00 m，新动力房平台宽1.28 m，未超出原来的范围空间。

锂电池组供电系统动力房改造后，RTG的轮压估算如下。

（1）80 kW小型柴油发电机房及其平台总质量约2.8 t。

（2）混合动力电池房总质量约4.85 t，包括：3个电池柜的质量为1 500 kg;变频器柜的质量为600 kg;控制柜的质量为500 kg;其他装置的质量为250 kg;电池房自重为2 t。

（3）动力房平台加辅料的总质量约1 t。

（4）改造完成的锂电池组供电系统总质量（包括发电机房及其平台、电池房及其平台、电池等元件）约为8.65 t。

（5）根据RTG结构计算书中的数据，原动力房的质量约为9 t。

从以上计算结果可见：锂电池组供电系统装置的总质量与原大型柴油发动机RTG动力房的质量相当，改造后不会增加RTG轮压。

1.3 锂电池组供电系统控制

（1）锂电池组供电系统控制电源取RTG控制系统控制电源，为锂电池组供电系统可编程逻辑控制器、智能电池管理系统、AC-DC整流器、DC-DC变换器和辅助电源逆变器等提供控制电源。

（2）锂电池组供电系统可编程逻辑控制器通过控制器局域网络（controller area network，CAN）总线与智能电池管理系统通信，并读取智能电池管理系统数据，控制柴油发电机组运行和停止。

（3）锂电池组供电系统可编程逻辑控制器检测柴油发电机组状态（故障、油位、油温和运行等）、AC-DC整流器状态（故障、运行）、DC-DC变换器状态和辅助电源逆变器状态，并控制柴油发电机组、AC- DC整流器、DC-DC变换器和辅助电源逆变器运行。

（4）锂电池组供电系统可编程逻辑控制器通过RS485接口或输入输出端口与RTG电气控制系统可编程逻辑控制器通信，并发送锂电池组供电系统故障、运行等状态信息至RTG电气控制系统可编程逻辑控制器，控制RTG运行。当RTG电气控制系统可编程逻辑控制器收到锂电池组供电系统故障信号时，RTG紧急制动。

（5）当锂电池组供电系统可编程逻辑控制器收到智能电池管理系统发出的电池电量低的信号时，立即启动柴油发电机组运行;当锂电池组供电系统可编程逻辑控制器收到柴油发电机组正常运行的信号时，启动AC-DC整流器运行，DC-DC变换器开始对锂电池组充电;当锂电池组供电系统可编程逻辑控制器收到智能电池管理系统发出的电池电量高的信号时，停止AC-DC整流器和柴油发电机组工作。在锂电池组供电系统正常运行的过程中，DC-DC变换器和辅助电源逆变器一直处于工作状态。当锂电池组供电系统停止运行时，柴油发电机组、AC-DC整流器、DC-DC变换器和辅助电源逆变器均停止工作，以降低能耗。锂电池组供电系统可编程逻辑控制器接收智能电池管理系统的状态信息，包括所有电池的电压、温度等信息。

（6）在RTG司机室联动台上设置锂电池组供电系统状态指示灯、锂电池组供电系统启停开关。

1.4 智能电池管理系统

智能电池管理系统采用东芝原装进口电池原配监控系统，具有锂电池状态实时监控、数据处理、故障分析和定位、电池荷电状态和电池健康状态估算、数据传输、充放电控制、运行数据存储等管理功能，例如：估测锂电池组的荷电状态，实时显示剩余电量或荷电状态，从而将剩余电量维持在合理的范围内，防止因过充电或过放电而使电池受损;计算、比较、记忆和报告电池在不同负荷条件下的充放电状态，电池容量检测误差小于5%;监控和报告不同电池模块的温度和电压;判断故障电池模块，并向主系统可编辑逻辑控制器发出故障停机信号。智能电池管理系统与主系统可编程逻辑控制器间采用CAN2.0B国际标准通信协议，具有通信可靠、数据交换方便等优点。电池组可24 h连续工作，无须单独停机或启动柴油发电机组;由可编程逻辑控制器控制实现电池组自动平衡功能，一旦检测到电芯压差大于10 mV，立即触发平衡功能，确保系统在长期充放电状态下仍能正常启动。

2 RTG油电混合动力系统应用效果

2.1 RTG油电混合动力系统应用

司機上机将发动机房内电瓶切换开关转至合闸 （“ON”）位置（见图3），并对发动机油、水、电进行常规检查;司机室右联动台上设有混动按钮功能键，司机操作主要涉及送电和断电，其他操作与传统柴油发动机RTG操作一致。

RTG油电混合动力系统具体操作步骤如下。

（1）混合动力合闸送电：按下“24 V电源合闸” 按钮（见图4），指示灯亮90 s后按下“混动合闸” 按钮（见图5），30 s后“混动合闸”指示灯亮起，随即系统控制电源合闸，开始作业。

（2）混合动力分闸断电：系统控制电源分闸;按下 “混动分闸“按钮（见图6）;下机前，将电瓶切换开关转至分闸（“OFF”）位置。

RTG油电混合动力系统操作说明：（1）按下“电源合闸”按钮后，绿色指示灯亮起90 s，待系统启动后，方可操作混动合闸 ;（2）混动合闸指整机电源供电，合闸后整机有电，且司机室内的指示灯、照明和空调等设备有电;（3）混动分闸指整机电源断电;（4）系统控制电源合闸和系统控制电源分闸指RTG电气系统控制分合闸，合闸后起升、大车、小车各机构动作，分闸后各机构停止动作;（5）在电源合闸状态下，当电池电量低需要对电池充电时，可以手动启动柴油发电机组对电池充电;（6）“混动故障”指示灯用于提示混合动力系统故障，“混动故障复位”按钮用于复位故障混合动力系统。

2.2 RTG油电混合动力系统节能效果

大连集装箱码头有限公司RTG油电混合动力系统改造项目于2018年6月19日完成，为验证该系统应用效果，在正式投入使用前对其进行节能测试。YC41号、YC42号、YC43号、YC44号和YC45号RTG为同品牌、同批次采购和投产的传统柴油发动机RTG，对YC44号RTG实施油电混合动力系统改造后，比较其与YC41～43号及YC45号RTG的作业箱量和单箱油耗（见表1）。通过对比可见，YC44号油电混合动力RTG比传统柴油发动机RTG节能63.5%，达到预期效果。

3 结束语

在传统大功率柴油发动机RTG无法满足日益严格的环保要求的背景下，低能耗油电混合动力RTG已成为当下RTG技术发展趋势。RTG油电混合动力系统改造保留原柴油发动机RTG作业灵活的优点，无须改造码头堆场设施，投资较少，且节能63%左右，有利于降低码头运营成本。此外，传统大功率柴油发动机RTG的维保费用高昂，RTG油电混合动力系统改造有利于降低码头设备技术维护成本。

（编辑：曹莉琼 收稿日期：2019-04-12）