基于锂离子电容器的轮胎式集装箱门式起重机能量管理系统设计

2022-11-18吴尔卡倪松挺

起重运输机械 2022年20期

吴尔卡肖毅倪松挺陈侠

1浙江大学杭州国际科创中心杭州 311215 2宁波北仑第三集装箱码头有限公司宁波 315800

3浙江大学杭州 310027

0 引言

随着以碳达峰碳中和为目标的现代能源生产、消费体系建设的推进，可再生能源将逐渐成为港口主要能量供应来源，以电能替代石化能源的多种起重设备将在港口大规模覆盖，对港口供配电系统设计、运行提出了新要求。其中，轮胎式集装箱门式起重机（以下简称RTG）作为港口集装箱堆场的主力起重装备，市场占有率超过90%。传统RTG采用柴油发电机组作为动力，虽然机动性强、转场灵活，但同时存在运营成本高、噪声大、环境污染等问题。随着国际油价上升和绿色港口建设的内在需求，我国具备改造条件的集装箱码头基本因地制宜，结合电缆卷筒、低架滑触线和高架滑触线3种不同的供电方式，实施了”油改电”工程，即采用市电取代柴油发电机组为RTG提供动力，称为电动轮胎式集装箱门式起重机（以下简称E-RTG），极大程度解决了港口节能和环保的问题，但却丧失了RTG转场的灵活性[1]。另一方面，RTG起升机构在下降过程中，起升电动机处于再生发电状态，节能潜力巨大。目前针对势能回馈节能技术主要有2大方向：1）能量回馈电网技术（AFE），采用基于三相全桥PWM的全控整流技术，将电能回馈至电网供其他设备使用，但对电网会造成有功功率冲击及谐波污染[2，3]；2）共直流母线储能技术，大多采用超级电容（EDLC）储能技术，实现回馈能量的就地储存及利用，但其能量密度低，价格昂贵，性能及市场表现不理想[4，5]。

得益于储能技术的不断发展，锂离子电容器（LIC）这种新型电化学电容器，综合了锂离子电池和超级电容器的特性，具有良好的能量密度、功率密度以及循环性能。本文将采用锂离子电容器储能技术，设计面向港口E-RTG的能量管理系统，它集快速有功功率补偿、再生能量回收及转场多功能于一体，为上述港口电力系统及E-RTG所面临的问题提供解决思路。

1 锂离子电容器

锂离子电池通过锂离子在正负极材料上可逆的嵌入与脱出反应，以实现能量的储存与释放，具有较高的能量密度（150～300 Wh/kg），但因电化学反应速率慢且伴随正负极材料的物相变化，功率密度较低（＜1 kW/kg），循环寿命并不理想[6]。超级电容基于静电吸附原理和双电层理论，通过在电极与电解液界面形成双电层结构来储存能量。由于离子在电解液和电极表面的迁移速度远远大于电化学反应速度，超级电容具有优异的功率（10 kW/kg）和循环（100万次）性能，而能量密度较低，通常小于10 Wh/kg。

锂离子电容器通常由电池型负极材料、电容型正极材料及含锂盐的有机电解液组成，是一种介于锂离子电池和超级电容器之间的新型储能器件[7]。在充电过程中，电解液中的Li+在电势差的驱动下嵌入电池型负极材料中，而电解液中的阴离子通过静电吸附在电容型正极材料与电解液之间形成双电层。在放电过程中，Li+从电池型负极材料中脱出，同时阴离子从电容型正极材料表面脱附进入电解液。因此，锂离子电容器引入了正极材料的静电表面吸/脱附过程以及负极材料的法拉第过程，使其继承了超级电容的高功率密度和长循环寿命的特点，并兼顾了锂离子电池的较高能量密度的特点。目前商用锂离子电容器能量密度、功率密度、循环寿命分别为50 Wh/kg、10 kW/kg、5万次，特别适用于机械能量回收等秒级和分钟级应用需求，应用前景广阔。

2 E-RTG能量管理系统设计与控制策略

2.1 E-RTG负荷特性及功率、能量需求分析

E-RTG起升高度高，速度快，动作频繁，属于冲击性集群负载，其负荷特性包括有功冲击、无功冲击、谐波电流与简谐波电流。其额定起重量为40.6 t，起升高度为15.2 m，起升速度为23 m/s，年均处理10万标箱以上。根据某集装箱码头公司E-RTG运行测试数据，对能量管理系统能量与功率需求进行分析，测试集装箱质量为38 t，起升高度为15.2 m，额定起升速度为23 m/min，测试仪器为Fluke NORMA 6004+便携式高带宽精密功率分析仪。如图1所示，E-RTG功率曲线从左至右分别对应①空吊具下降→②带箱起升→③带箱下降→④带箱起升→⑤带箱下降→⑥空吊具上升等6个工作过程，对各部分积分可得对应工作过程消耗或回收的能量。结果表明，带箱起升过程峰值功率为332 kW，带箱下降（再生能量回收）过程峰值功率为-237 kW，可回收电量1.6 kWh。

“油改电”工程滑触线通常沿堆场横向布置，线长1 ～2 km，横贯5～6个堆场，E-RTG可沿滑触线直线移动，实现同一车道不同堆场的作业覆盖。当E-RTG需转场至不同车道时，通常需改由柴油发电机组供电进行转场，操作繁琐且不环保；而堆场纵向距离较短，基本小于500 m。E-RTG大车行走功率实时曲线如图2所示，期间E-ERG行走100 m，平均功率为85 kW，峰值功率为150 kW，总耗能为1.8 kWh，单位能耗为18 Wh/m。

综上所述，配置基于锂离子电容器的能量管理系统容量为250 kW/10 kWh，可满足E-RTG再生能量回收及相邻2堆场之间（＜500 m）转场运行的功率与能量需求，同时寿命应满足年均10万次以上的放电次数。

2.2 能量管理系统设计

1）能量管理系统整体方案

如图3所示，E-RTG能量管理系统由锂离子电容器组、双向DC-DC变换器、逆变器等构成。系统接入E-RTG变频器的直流母线，通过双向DC-DC变换器、逆变器与E-RTG原电源系统实现能量交互，利用锂离子电容器高比能、高功率、高循环寿命的特性，实现E-RTG起升时进行有功功率补偿、E-RTG下降时实现再生能量回收、作为转场期间大车和辅助设备的动力电源等功能。

E-RTG能量管理系统有市电和转场2种工作模式。在市电模式下，E-RTG处于并网状态，由市电与锂离子电容器组共同为E-RTG供电。锂离子电容器组的能量来自起升机构下降过程中再生能量的回收，实现能量的本地回收及利用，可减小冲击性负荷对电网导致的有功冲击及谐波电流影响。在转场模式下，首先控制市电经DC-DC变换器将锂离子电容器组充电，充满后脱离市电，此时自动切换至锂离子电容器组作为电源为大车及辅助设备（油泵、空调、照明等）提供动力。

2）基于MAP图的电流闭环控制控制

双向DC-DC变换器根据直流母线电压控制锂离子电容器充放电，同时维持直流母线电压稳定。如图4所示，双向DC-DC变换器采用基于MAP图的电流闭环控制。其中，Udc、Usc分别为直流母线电压和锂离子电容器电压，将其输入MAP图得到当前状态下最优的锂离子电容器充放电电流作为参考电流，与反馈电流作差得到电流误差信号，经过电流PI补偿环节和脉冲宽度调制，以双向DC-DC变换器。

如图5所示，MAP图分别用于锂离子电容器充放电电流基准值的确定和电流限幅的确定，两者相乘得到参考电流Iref。其中，电流基准值MAP图的输入为直流母线电压，通过合理配置Ud1～Ud4电压点、正向最大电流基准值Icharge、负向最大电流基准值Idischarge，可达到将直流母线电压稳定在一定电压范围内的效果。当直流母线电压处于Ud2～Ud3时，电流基准值为0，锂离子电容器不进行充放电；当直流母线电压小于Ud2时，负向电流基准值随直流母线电压的减小线性增大，直至小于Ud1，负向电流基准值稳定在最大值，锂离子电容器处于放电状态；同理，当直流母线电压大于Ud3时，锂离子电容器处于充电状态。

电流限幅MAP图输入为超级电容电压，通过合理配置Us1～Us4电压点，可为锂离子电容器提供过压、欠压保护。当锂离子电容器电压处于Us2～Us3时，不对充放电电流进行限制，而当锂离子电容器电压大于Us3，或小于Us2时，电流会被逐步限制，直至限幅达100%。

3 E-RTG能量管理系统仿真分析

3.1 仿真模型参数输入

E-RTG能量管理系统Simulink仿真模型主要包括电源模块、变频器模块、异步电机模块、能量管理系统模块及控制模块等。能量管理系统模块包括双向DC-DC变换器及锂离子电容器，双向DC-DC变换器由三相三重Buck-Boost变换器组成。锂离子电容器用简化RC模型，其参数配置：额定容量为384 F，直流内阻为70 mΩ，工作电压为390～585 V，可用能量为10 kWh；由24个24 V/10 000 F模组24串1并组成，24 V/10 000 F模组由36只4 V/10 000 F超级电容单体6串6并组成。

4 V/10 000 F单体的电压为2.5～4.0 V，额定容量为10 000 F，最大电流为150 A，直流内阻为1.8 mΩ，循环寿命＞5 万次，工作温度为-25℃～+55℃；24 V/10 000 F模组的直流内阻为2.5 mΩ，电压为15～24 V，储存能量为432 Wh；624 V/384 F系统的直流内阻为70 mΩ，工作电压为390～585 V，可用能量为10 Wh。

基于MAP图的电流闭环控制的仿真模型如图6所示。电流环PI参数经调试为KpI＝1， KiI＝100，输出限幅为0.02～0.98，用来限定占空比范围。电流基准MAP图中的节点电压Ud1、Ud2、Ud3和Ud4设定为420 V、510 V、530 V和620 V，正/负向最大电流基准值电流限幅设定为±500 A。电流限幅MAP图中的节点电压Us1、Us2、Us3和 Us4设定为300 V、320 V、480 V和500 V。

3.2 市电模式仿真分析

在增加能量管理系统后，由于锂离子电容器组有功功率补偿的作用，E-RTG作业时市电有功功率需求由166 kW降至86 kW，如图7a、图7b所示。根据直流母线电压与锂离子电容器电压曲线（见图7c、图7d）可知，当E-RTG起升时，直流母线电压下跌至458 V，双向DC-DC变换器控制锂离子电容器放电，超级电容电压逐渐下降；当E-RTG下降时，直流母线电压提升至678 V，双向DC-DC变换器控制锂离子电容器充电，超级电容电压逐渐上升。由于配置锂离子电容器组容量为10 kWh，基本可杜绝因出现连续下降工况导致锂离子电容器组充满电而使制动电阻动作的情况。

3.3 转场模式仿真分析

当E-RTG欲进行转场作业时，首先控制市电经DC-DC变换器给超级电容储能单元充电至585 V，充满后脱离市电自动切换至锂离子电容器组作为动力电源。转场期间锂离子电容器组电压与输出功率曲线如图8所示，锂离子电容器输出功率功率为127 kW，1 min后锂离子电容器电压由584 V降至539 V，共释放能量2.7 kWh。大车速度为130 m/min，预计可实现E-RTG相邻2堆场之间小于500 m的转场运行。