1、基于超级电容器组的轮胎式龙门吊能量存储系统的控制基于超级电容器组的轮胎式龙门吊能量存储系统的控制摘要： 本文提出了一种提高轮胎式龙门吊运行性能的混合动力系统，这个系统由一个柴油发电机和一个超级电容器组成。超级电容器在轮胎式龙门吊的“放下重物”的制动过程中再生获得能量，在轮胎式龙门吊快速“提升重物”的过程中供应能量。因此，它可以很容易地节省制动过程中浪费的能量。此外，大型发电机可以被小型的所取代，因为超级电容器降低了系统对高功率的需求。一种三桥臂双向直流-直流变换器被用来实现超级电容器和直流环节间的能量转换，这种变换器和工业上使用的三相逆变器接都相同。设计了两种仿真实验来研究所设计系统在最恶劣运
2、行环境下的性能。通过对现实中轮胎式龙门吊的一些实验来评价所设计的混合动力系统的性能。这个系统可降低35%的油耗和减少发动机的排放量达40%以上。关键字：轮胎式龙门吊（RTGC）、统一电能质量控制器（UPQC）。.简介 超级电容器被应用于各个领域，如电梯运行过程中的功率平滑设计、混合动力车的峰值电能需求和再生制动过程、统一电能质量控制器（UPQC）的电压凹陷补偿。超级电容器有两个突出的特点，她的能量密度大约是铝电解电容器的100倍，并且其功率密度大约是电池的十倍。这种存储设备可以用做轮胎式龙门吊电力系统的能量缓冲器，这种龙门吊在光阳、大阪、香港等港口用于装卸集装箱卡车。 轮胎式龙门吊有像公共汽车
3、和卡车那样的橡胶轮胎。这种轮胎吊在一定范围内移动，这就是它不能从公用电网获得电能的原因。因此用柴油发电机来给它供能。在集装箱被提起的这个提升过程中所需要的能量是决定柴油发电机大小的关键因素。考虑到这个提升过程在整个运行过程中所占时间还不到20%，大部分运行过程不需要如此大的电动机功率。目前发动机功率的三分子一就足以维持像电车和龙门式绞车操作的正常运行。此外，提升过程的大部分时间都是恒速运行的，在这个过程中所需功率不到最大功率的60%。在加速过程的最后阶段峰值功率仅持续1或2秒。重物下降过程中的再生能源被制动装置所浪费。 在本文中，一个基于超级电容器的混合动力RTGC能量储能系统如图1所示。一个
4、超级电容器组是由许多模块串联和并联而成。在这个应用过程中超级电容器的主要功能是平恒能量的供应，以至于主要的能源来源的柴油发电机可以仅根据平均的能量需求来设计其大小。一个超级电容器充分的配置，可以使发电机组的尺寸减少到传统的大约三分之一。柴油机通过三个交叉双向直流-直流变换器在峰值功率需求的情况下给直流环节提供能量并且在能量再生过程中存储能量。频率估计值是根据单锁相环(PLL)与全通滤波器(APF)来确定的。但是本文提出了一种APF的自然频率根据估频率变化的新方法。在最恶劣的工况条件下所设计系统的运行性能是通过系统级和电路级的模拟仿真来研究的。下文有关实物RTGC的几个实验是为了验证混合动力系统
5、的有效性。图1. 带有超级电容器的混合动力系统RTGC的储能装置.使用超级电容器的能量存储系统ARTGC的电能需求 RTGC典型的负载运行周期如图2所示。在RTGC提起集装箱的操作过程中它有很高的功率需求，同时在集装箱下降的操作过程中它有很高的能量回馈。然而超级电容器的储能设备不仅能在运行过程中提供能量，还能在再生过程中吸收能量。尺寸只有传统柴油发电机组三分之一的发电机就足以维持吊车模式下电力需求，并且可以完成一到六栏的水平运动。图2.RTGC的典型负载运行周期（提升左移降落提升右移降落） 图3所示是在最恶劣情况下，一个集装箱从第四层的第六列搬到第一层的第一列，然后再搬回到起点，RTGC的功率
6、、电压、电流和速度图形。这些仿真结果是针对一个4+1的RTGC对半负载（25吨集装箱）的操作，这里的“4+1”的意思是有五层和一个在第一层之上的可以水平运动的额外层。假设一个120千瓦的发电机组可以满足平均功率的要求。在图3（a）中PLODA代表RTGC运行过程中所需要的能量（再生能量），PSC代表超级电容器输出的能量，PGEN_DC代表柴油发电机提供的能量。能量PLODA和PGEN_DC的不同点是超级电容器提供能量（存储能量）。在模拟仿真的过程中最大功率需要达到290kW。第一次恒速提升操作所需要的能量是240kW。在这种情况下，所需能量有2.9MJ从超级电容器获得。在最恶劣条件下提起完整负
7、载需要3.4 MJ能量。（a）（b）（c）图3.RTGC的模拟仿真：（a）负载所需功率PLOAD，超级电容器功率PSC，柴油发电机功率PGEN_DC；（b）超级电容器的内部电压Vsc0和外部电流Isc；（c）提起和水平运行速度（HU：提升、HD：降落、TL：左移、TR：右移）B系统规范 从以上仿真结果可以看出，超级电容器单元大约需要选择五百个（几百个串并联在一起），选择的标准是：每个超级电容器单元的最大电压为2.3V，最低电压为0.76V。因此，在研究中所使用超级电容器组的电容值是几十法，等效串联电阻（ESR）大约是100m。超级电容器组的最大存储能量大约是4MJ。超级电容器组的总重量大约是4
8、00公斤。传统柴油发电机的三分之一来提供平均功率。通常对于起重机/小车/龙门式汽车逆变器功率栈的总直流环节电容值不少于23 mF。C. 双向直流-直流变换器的拓扑有很多转换器的拓扑可以实现双向直流-直流变换器。所设计的这个拓扑结构需要处理几百安培的负载电流。要实现高电流的要求最好使用并行转换器模块。如图4所示的三相逆变器有很多优点：首先，它在商业上可以使用。其次，因为它有三个升降压转换器模块，转换器可以在交错的方式下运作。因此，该转换器当前是分布在三个转换器模块。在切换序列的转换器模块中使用一个合适相移，伴随着输入和输出电流的振荡的减弱，三个转换器的波纹会消失。第三，模块化的方法相对于单一模块
9、出现故障时可以提供更好的系统容错。最后，整个电路所包含的三个电感是小于单一升降压转换器的。三个平行的电感是由金属粉末制成。当电流增加到300A时，它们可能从220H变化到110H。这个变换器总是被设计运连续导电模式(CCM)。图4所示的双向直流-直流变换器可以被运行在利用超级电容器阶段(低电压阶段)向直流环节电容器供电(高电压阶段)的升压模式和超级电容器从直流环节电容器吸收电能的降压模式。图4. 双向直流-直流变换器D.直流-直流变换器详细的仿真用双向直流-直流转换器的详细仿真来研究超级电容器的充电和放电特性时需要使用Matlab / Simulink中的PLECS仿真包。图5显示了当超级电容
10、器处于放电模式向直流环节提供220kW的能量并调节直流环节电压至630 V时，直流-直流变换器电压和电流的仿真结果。在该图中，超级电容器的内部电压和终端电压之间的关系是：其中，Vsc0是超级电容器的内部电压，Vsc是超级电容器的终端电压，ESR是超级电容器串联等效电阻值，Isc是超级电容器的输出电流值。图5.在超级电容器放电情况下调节直流环节电压，直流-直流变换器的仿真结果.控制策略A. 柴油发电机组和超级电容器向负载合理分配能量 为了优化柴油发电机组的燃料，需要控制柴油发电机组和超级电容器向负载合理分配能量。为了完成最优负荷分配，即控制发电机的输出功率,就必须知道柴油发电机组发电时的特性。在
11、本文中，并不是采用直接测量能量的方法，而是使用柴油发电机组的速度下垂特性间接控制方法，该方法可以降低测量复杂性和使用组件的数目。B柴油发电机组的速度下垂特性 通常，一个柴油发电机组有两个控制回路：调速器和自动电压调节器(AVR)。调速器通过调节气门的角度来控制发电机的转速。发动机的转速决定着输出电压的频率。AVR通过控制励磁电流来调节发电机的终端电压。在这个设计中，发电机输出电压的有效值被设定为480V，频率被设定为60Hz。 通常，发电机都有速度下垂的特性。如图6（a）所示，发电机的输出功率增大时，它的参考速度值会减小。在频率已知的条件下，发电机的功率是可以估计的。如图6（b）所示，根据输出
12、功率的变化来得到速度下垂特性的实验已被完成。它可以用下面的方程进行建模。 其中，代表下垂频率，Pgen代表电动机的输出功率。从实验结果中可以看出，当，时间参数时，对于120kW的柴油发电机，其传递函数的逆增益可以被计算。 需要了解线电压信息的单一锁相环方法可以用来估计三相电压的频率。（a）（b）图6.根据发电机的输出功率变化的速度下垂特性：（a）稳态特性，（b）功率和频率之间的传递函数C用所设计的单一锁相环来估计频率 如图7所示，发电机的频率用单一锁相环的方法来估计。通过用APF获得固定d轴的电压来调节测量出的线电压Vab相位移动90 其中，APF的自然频率，f0选择为60Hz。 为了用所估计
13、的角度来得到d轴的电压，这两个电压被转换到同步的d-q平面。发电机的频率使用一个PI调节器和一个前馈通路来估计如下： 其中，是前馈参数，是发电机的估计频率。 本文提出用APF将频率变化到可考虑在内的一种频率调整算法。换句话说，根据发电机频率的变化，APF的自然频率频率被设定如下： 如图8所示，是对APF的离散化形式的实现。它的方程可以写为： 其中，输入，输出，系数计算如下： 图7.带有APF的单一锁相环和频率调整图8.离散形式下APF的实现D频率和电压控制 使用来自实验的发电机模型，PI控制器的频率设计如图9所示。频率的下垂特性可以按如下公式计算： 其中，是无负载条件下发电机的功率，是发电机频
14、率的估计值。 利用直流环节电容的动态特性，PI控制器的电压设计如图10所示。图9.频率控制器的方框图；超级电容器的输出功率，是提升电动机或小车电动机的负载功率，是发电机的输出功率图10.电压控制器的方框图；直流环节电容的输入功率E两个控制器之间的转换频率控制器和电压控制器之间的转换方案的原理流程如图11所示。在电压控制模式下，设置的直流电压的参考值大于经过二极管整流的发电机的输出电压。在这种情况下，只有超级电容器提供起重机起升所需的能量或储存下降所产生的能量。但是，如果起重机起升所需要的功率大于超级电容器的最大输出功率，发电机会根据直流环节电压的减少自动提供所需要的功率。两个电源同时供电，并且
15、超级电容器是主电源。在频率控制模式下，发电机被控制来提供额定功率。当起重机上升时，由于所需要的功率大于发电机的额定功率，超级电容器就会提供额外功率。两个电源同时供电，并且发电机是主电源。在运行模式或空闲模式下，超级电容器会通过发电机进行充电。图11.两个控制器之间转换方案的原理流程图；Payload是指集装箱的重量IV轮胎式龙门吊实验图12所示的龙门吊的超级电容器的能量储存系统用来证实所提出方案的可行性。由几个模块串联或并联组成的超级电容器被用做为存储设备或辅助电源。超级电容器通过250kW的双向直流-直流变换器与直流环节相连，在提升操作的高峰期提供能量并且在下降操作的再生环节存储能量。用作主
16、电源的柴油发电机的功率是传统发电机功率的三分之一。全部的控制算法是基于TMS320vc33数字信号处理器(DSP)实现。整个控制器的采样周期是1 ms，在实验中所用的采样周期是100s。图12. 带有超级电容器的RTGC的能量存储系统A直流-直流变换器的交叉操作图13显示的实验电流波形是在参考电压时直流-直流转换器充电的波形。如图13（a）所示，超级电容器的电流波纹是单个电感器瞬态响应时的一半，图13（b）表明超级电容器的电流波纹小于单个电感器在稳定状态时的五分之一。（a）（b）图13. 在参考电压时直流-直流转换器充电情况下实验电流的波形：（a）瞬态响应，（b）稳态响应（IL1：电感L1的电
17、流，IL2：电感L2相移120的电流，Isc_S：超级电容器的采样电流，Isc_M：超级电容器的测量电流）B发电机频率的估计为了验证提出的PLL方法的性能，将估计出的发电机的频率与过零检测器的频率进行比较。整个估计算法以20s的速度执行，这就意味着过零检测的分辨率是0.430o。图14显示的是在单一PLL方法下发电机频率估计值的实验波形。在稳定状态，估计误差小于0.1Hz。图14.使用提出的单一PLL方法频率估计值的实验结果（fgen：使用提出的单一PLL方法的估计频率，fgen_ZC：过零检测器的估计频率，Vab：发电机的线电压）C混合动力系统的轮胎龙门吊操作 图15显示的是混合动力RTGC
18、对10吨重集装箱提升、小车和下降操作时的实验波形。超级电容器的电压最初充到565 V并且运作在电压控制模式下。当起重机开始提升集装箱时（区域），电压控制器调节直流环节电压到690 V。但电压下降到635 V，因为超级电容器电流在最大参考电流500A时是饱和的，从而限制了超级电容器的输出功率。因此，这与发电机自动供能区别在于超级电容器的能量需求和输出功率。在下降操作过程中，超级电容器的频率一直下降。12s后，超级电容器的电压下降到小于。这将激活频率控制模式。这一时期结束时，超级电容器的电压下降到275 V。当起重机在水平方向移动集装箱时(区域II：小车操作)，小车电动机不需要太多的能量。因为它的
19、操作是在频率控制模式下，大量的能量从发电机充到超级电容器。当超级电容器的电压高于时，电压控制模式被激活。当起重机放下集装箱时(区域III)，再生能量从起重电动机流向直流环节电容器。电压控制器调节直流环节电压至690 V时，再生的能量流向给超级电容器充电。当超级电容器充电至565 V，它停止充电。从而再生能量提高了直流环节电压，使动态断路器运行。换句话说，这些多余的能量被消耗在制动电阻。图15.混合动力RTGC对10吨重集装箱提升、小车和下降操作时的实验波形 图16显示的是混合动力RTGC对40吨重集装箱提升、小车和下降操作时的实验波形。最初，系统运作电压控制模式下并调节直流环节电压至690 V
20、。当起重机开始提升集装箱时(区域)，因为负载大于有效载荷20吨，频率控制模式被激活。频率控制器调节发电机频率为57.4Hz（60Hz-2.6Hz）以至于发电机为提升电动机供应额定功率。超级电容器供应电力需求之间的差异和输出功率的发电机。这与超级电容器供能区别在于发电机的能量需求和输出功率。这个操作将持续36s。这一时期结束时，超级电容器的电压下降到220 V。当起重机在水平方向移动集装箱时(区域II：小车操作)，小车电动机不需要太多的能量。但由于超级电容器放电时电压小于Vsc_LO，它仍然是操作在频率控制模式，这样大量的能量从发电机流到超级电容器。超级电容器被充电到440 V。在此操作后，电压
21、控制模式被激活。当起重机放下集装箱时(区域III)，再生能量从起重电动机流向直流环节电容器。电压控制器调节直流环节电压至690 V时，再生的能量流向给超级电容器充电。当超级电容器充电至565 V，它停止充电。从而再生能量提高了直流环节电压，使动态断路器运行。图16.混合动力RTGC对40吨重集装箱提升、小车和下降操作时的实验波形D.提高燃料利用率 表对比了所设计系统和传统系统的燃料消耗情况。正如上文所提到的所设计系统使用的柴油发电机只有传统方式下的三分之一。“案例1”表示每小时柴油发电机空转时的功率（没有功率输出）。“案例2”表示每小时发电机为辅助负载提供的功率，例如，风扇、液压泵和灯泡。通常
22、，辅助负载的功率小于20kW。“案例3”代示50kW的RL负载每小时从柴油发电机所获得的功率。RL负载由一些电感和电阻所组成。“案例4”和“案例5”表示一个典型周期内发电机所提供的功率；类似图2所示方法，集装箱首次从第四层第六列搬到第四层第一列，然后再搬回起点。只是，“案例4”是对10吨重的集装箱操作，“案例5”是对40吨重的集装箱操作。“案例6”和“案例7”表示发电机对10吨重的集装箱完成一个周期的操作供应的所需能量。“案例6”表示最好情况下的结果；类似图2所示方法，集装箱首次从第一层第六列搬到第四层第一列，然后再搬回起点。“案例7”表示最坏情况下的结果；类似图2所示方法，集装箱首次从第四层
23、第六列搬到第一层第一列，然后再搬回起点。表.燃料消耗对比传统设计减少比例案例1：空载（/小时）14.167.7645.2%案例2：辅助负载（/小时）17.2810.0841.3%案例3：50kW的RL负载（/小时）23.3215.5433.4%案例4：10吨重集装箱（/小时）1.210.6943.0%案例5：40吨重集装箱（/小时）1.841.2830.4%案例6：最好情况下（/小时）0.660.4433.3%案例7：最坏情况下（/小时）0.760.5527.6% 从案例4到案例7，存在能量回馈过程。因此，在这些情况下的关键问题是有多少能量需要回收。如果RTGC是自动化的，它将很容易地找到最佳
24、的节能策略。但是起重机是由操作员操作的；对接下来的操作并不了解控制器，因此最优化策略并不容易找到。以下两个简单的规则被应用。首先，在小车运行时，直流-直流变换器被关闭；超级电容不进行充放电。其次，超级电容器应该在每个提升操作之前完成充电。根据表的数据可以得到，所设计系统在加载和卸载情况下可以节省35%的能量。.结论 在本文中，提出了一种基于超级电容器的储能系统来提高RTGC能源利用率的方案。通过考虑最初成本和维护成本，超级电容器被选中为能源存储设备。为了实现超级电容器和直流环节之间的能量转换，可以使用一个三桥臂的双向直流-直流转换器。应该指出，这个转换器与商业上使用的三相逆变器有相同的结构。为
25、了实现发动机和超级电容器之间的最优负荷分配，提出了一种估计发电机频率的间接控制方法。这个频率估计是基于APF的一个单一锁相环电路。但是，根据所提出的方法，APF的自然频率会根据频率的估计值而变化。以这种方法，线电压可以通过相移90得到d轴电压来准确测量。使用一个比较小的发电机，辐射可以降低40%。燃料利用率可以提高很多，也就是说，节省的能量可以达到35%左右。这是由于小型发动机和超级电容器可以在下降操作的情况下节省再生能源。考虑到不同的发电机成本和未来超级电容器的大规模生产，所减少的操作费用可以抵消三年之内一个超级电容器组和直流-直流变换器的额外成本。此外，即使有额外的直流-直流变换器和超级电容器组，系统的总重量和体积可以比传统发电机减小15%。所设计的混合动力能源系统的性能可以通过一些对真正的RTGC的实验来评估。
