輪胎式集裝箱龍門(mén)起重機(jī)綠色能源智能存儲(chǔ)

王 成

上海振華重工（集團(tuán)）股份有限公司 上海 200125

0 引言

輪胎式集裝箱龍門(mén)起重機(jī)(簡(jiǎn)稱(chēng)RTG)作為集裝箱堆場(chǎng)上廣泛應(yīng)用的專(zhuān)業(yè)化作業(yè)設(shè)備，依靠大功率柴油發(fā)動(dòng)機(jī)作為動(dòng)力源運(yùn)行的弊端已多數(shù)通過(guò)油改電的改造得到解決，但改造后的起重機(jī)在轉(zhuǎn)場(chǎng)作業(yè)時(shí)仍存在諸多的能源供應(yīng)問(wèn)題[1]。油改電后的RTG需要新增設(shè)能量反饋裝置才可以將重載下降時(shí)的能量回收[2]，因成本原因沒(méi)有大面積實(shí)施，而以小功率柴油發(fā)電機(jī)和動(dòng)力電池組成的可插電串聯(lián)增程式動(dòng)力源可徹底解決這些關(guān)鍵問(wèn)題。選定動(dòng)力電池組的功率、能量參數(shù)后，動(dòng)力電池組的充放電控制策略是增程式動(dòng)力源壽命長(zhǎng)、運(yùn)行穩(wěn)定的關(guān)鍵。

1 串聯(lián)增程式動(dòng)力源的結(jié)構(gòu)和工作原理

1)動(dòng)力電池(能量存儲(chǔ)單元)作為整機(jī)電能的供給源，通過(guò)小功率的柴油發(fā)動(dòng)機(jī)采用時(shí)間累積能量的方法進(jìn)行儲(chǔ)能。為起升機(jī)構(gòu)等提供短時(shí)大功率能量，為輔助設(shè)備提供長(zhǎng)時(shí)間小功率的能量。平時(shí)小功率柴油發(fā)電機(jī)組以可控的小電流對(duì)儲(chǔ)能單元進(jìn)行充電儲(chǔ)能。當(dāng)起升機(jī)構(gòu)電動(dòng)做功時(shí)，能量從儲(chǔ)能單元集中輸出，滿足起升機(jī)構(gòu)加速運(yùn)行時(shí)的峰值功率和勻速運(yùn)行時(shí)的穩(wěn)定功率需求。起重機(jī)運(yùn)行所需要的全部能量均由可大功率充放電的能量型電池組提供，電池組充電電源可來(lái)自市電電網(wǎng)、小功率柴油機(jī)、起重機(jī)重載勢(shì)能下降時(shí)轉(zhuǎn)換回收的電能三個(gè)部分。由于動(dòng)力電池的性能不斷改善，可滿足大功率充放電，可將勢(shì)能下降制動(dòng)轉(zhuǎn)換的電能全部回收，并在起重機(jī)起升做功時(shí)快速釋放電能；同時(shí)摒棄了大功率柴油機(jī)工作外特性導(dǎo)致的直接能源浪費(fèi)，以實(shí)現(xiàn)起重機(jī)節(jié)能的目的。

基于以上增程式動(dòng)力源的結(jié)構(gòu)以及節(jié)能原理的描述，電池組作為該形式動(dòng)力源的核心，其容量和功率的選擇是系統(tǒng)安全、平穩(wěn)、可靠運(yùn)行的關(guān)鍵，小功率柴油機(jī)運(yùn)行時(shí)只依據(jù)電池組的充放電狀態(tài)而無(wú)需考慮起重機(jī)作業(yè)時(shí)總的能量、功率需求，可工作在最佳能效工作區(qū)域?qū)δ芰看鎯?chǔ)單元進(jìn)行充電，大幅度降低了起重機(jī)的能源消耗量，因此可直接大幅度降低大量氮化物（NOx）、硫化物（SOx）、碳化物（COx）等混合廢氣污染；未來(lái)LNG、氫燃料電池還可繼續(xù)替換掉小功率柴油機(jī)，進(jìn)一步提高節(jié)能降耗的效果。由于電池組具備大功率充放電的特性，可將重載勢(shì)能快速下降時(shí)產(chǎn)生的短時(shí)大功率電能直接快速吸收，則可取消傳統(tǒng)RTG上連接在變頻器直流母線上的制動(dòng)單元和制動(dòng)電阻，進(jìn)而優(yōu)化能量系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，降低能源系統(tǒng)購(gòu)置成本的同時(shí)提高系統(tǒng)的可靠性。在起升機(jī)構(gòu)下降的過(guò)程中，所有產(chǎn)生的電能都將回饋動(dòng)力電池組，再生能源的利用將深度影響節(jié)能降耗的效果。由于動(dòng)力電池組是多輸入、多輸出的工作原理，因此對(duì)其能量的存儲(chǔ)策略將對(duì)電池組的壽命和系統(tǒng)工作性能產(chǎn)生重要影響[3]。

圖1 串聯(lián)增程式動(dòng)力源起重機(jī)動(dòng)力結(jié)構(gòu)圖

2 動(dòng)力電池組智能控制的解決方案

可插電串聯(lián)增程式動(dòng)力源的結(jié)構(gòu)由能量產(chǎn)生單元、能量存儲(chǔ)單元、能量消耗單元組成。要發(fā)揮出動(dòng)力源的極致性能，需要建立從穩(wěn)態(tài)工況下的燃油經(jīng)濟(jì)性單一目標(biāo)優(yōu)化到考慮各種瞬態(tài)工況和非線性、時(shí)變作業(yè)工藝下，對(duì)各個(gè)部件性能影響的燃油經(jīng)濟(jì)性、排放和各能量單元之間協(xié)調(diào)控制平穩(wěn)性、魯棒性都有較高要求的電池組充放電控制的策略。

可插電串聯(lián)增程式動(dòng)力源的核心是動(dòng)力電池，動(dòng)力電池的充電來(lái)源如前文所述的三種途徑，動(dòng)力電池充放電的控制策略不同會(huì)使小功率柴油發(fā)電機(jī)的投入工作機(jī)制產(chǎn)生不同，對(duì)勢(shì)能的回收也會(huì)產(chǎn)生差異，同時(shí)需要考慮頻繁深度充放電對(duì)電池性能產(chǎn)生的不利影響。通常的控制策略有恒溫器式和功率跟隨式，恒溫器式是指小功率柴油發(fā)電機(jī)的投入機(jī)制只與動(dòng)力電池組的荷電狀態(tài)(SOC值)直接聯(lián)系，當(dāng)SOC值低于動(dòng)力電池組設(shè)定的最高值時(shí)，發(fā)電機(jī)以最佳工作點(diǎn)投入運(yùn)行，對(duì)電池組進(jìn)行充電，直至SOC值達(dá)到最高設(shè)定值時(shí)即停止工作。功率跟隨式在恒溫器式基礎(chǔ)上又考慮了起重機(jī)作業(yè)功率的大小，當(dāng)所需功率較大且SOC值也已經(jīng)到達(dá)最高值時(shí)，小功率柴油發(fā)電機(jī)依然會(huì)投入運(yùn)行對(duì)電池組進(jìn)行充電，以彌補(bǔ)作業(yè)所需的大功率對(duì)電池組SOC值快速下降導(dǎo)致的電池深度充放電的影響。RTG在長(zhǎng)時(shí)間進(jìn)行裝船作業(yè)時(shí)，以帶載下降作業(yè)工況居多，通常采用恒溫器式的控制策略，留出更多的電池能量存儲(chǔ)空間，以吸收反饋的勢(shì)能；而當(dāng)起重機(jī)長(zhǎng)時(shí)間進(jìn)行卸船作業(yè)時(shí)，以帶載起升作業(yè)工況居多，通常采用功率跟隨式的控制策略，以減少電池深度放電造成的壽命影響。

RTG動(dòng)力電池充電來(lái)源于中小功率柴油發(fā)電機(jī)供電和市電取點(diǎn)，都屬于消耗型供電，而吸收勢(shì)能則屬于回收型供電，因此在考慮動(dòng)力電池組充放電控制策略時(shí)，可將消耗型供電進(jìn)行統(tǒng)一考慮。

3 基于模糊控制的動(dòng)力電池組智能能量管理策略

模糊控制的智能控制策略依據(jù)簡(jiǎn)單經(jīng)驗(yàn)編制難以精確定量表達(dá)的規(guī)則，不需要建立復(fù)雜的模型，以便接近實(shí)際狀態(tài)和考慮各種不同影響因素（電池組的荷電狀態(tài)、作業(yè)功率的需求以及發(fā)電機(jī)的工作狀態(tài)等），因此常被用來(lái)進(jìn)行實(shí)際的工業(yè)控制，體現(xiàn)出較強(qiáng)的控制魯棒性，適合于RTG非線性、時(shí)變性強(qiáng)的工作機(jī)制。

本文在考慮綠色可插電串聯(lián)增程式新動(dòng)力源RTG能源系統(tǒng)的智能模糊控制策略模型時(shí)，以RTG運(yùn)行所需功率Qr、超級(jí)動(dòng)力電池組的當(dāng)前荷電狀態(tài)μsoc為模糊控制模型的輸入變量；將消耗型供電功率即小功率柴油發(fā)電機(jī)對(duì)電池組的充電功率Pin定義為模糊控制模型的輸出變量。

根據(jù)典型的RTG各機(jī)構(gòu)電機(jī)額定功率及輔助用電設(shè)備的額定功率運(yùn)行組合，將Qr論域表達(dá)為Z={-110，-80，-30，50，120，160，190，220，250}，論域中的數(shù)字表示起重機(jī)運(yùn)行所需功率，負(fù)數(shù)值表示勢(shì)能下降時(shí)可回收再生能量的功率，正數(shù)值表示起重機(jī)運(yùn)行所需功率；根據(jù)動(dòng)力電池不同的充放電外特性及深充深放對(duì)電池組壽命的影響，將μsoc論域表達(dá)為Z={2，3，4，5，6，7，8，9，10}，其中各數(shù)字分別表示動(dòng)力電池組荷電狀態(tài)(SOC值)為[0.2,1]之間的狀態(tài)；根據(jù)消耗型供電來(lái)源的輸出功率，將Pin的論域表達(dá)為Z=[0，1，2，3，4，5，6，7，8]，數(shù)字0代表不對(duì)電池組充電，數(shù)字1～8為以10 kW為間隔的充電功率。

經(jīng)過(guò)模糊控制反模糊化運(yùn)算后，可將控制策略進(jìn)行列表以供RTG控制程序進(jìn)行查詢(xún)，作為小功率發(fā)動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的控制輸入，如表1所示。同時(shí)模糊控制規(guī)則也方便工程技術(shù)人員根據(jù)起重機(jī)不同的作業(yè)工況、碼頭實(shí)際作業(yè)習(xí)慣、工藝要求進(jìn)行人為干預(yù)。

表1 小功率柴油發(fā)電機(jī)智能充電功率控制查詢(xún)表 kW

4 結(jié)語(yǔ)

由表1可知，當(dāng)動(dòng)力電池組的荷電狀態(tài)小于0.5時(shí)，無(wú)論起重機(jī)運(yùn)行所需多少功率，消耗型能量輸入都將以恒溫器方式用較大的功率對(duì)電池組進(jìn)行充電，迅速提高電池組的荷電狀態(tài)，減少深度放電對(duì)電池組循環(huán)壽命的影響，控制策略的魯棒性較好。當(dāng)動(dòng)力電池組的荷電狀態(tài)在0.6～0.8時(shí)，消耗型能量輸入將以功率跟隨方式動(dòng)態(tài)調(diào)整充電功率，即可為回收型能量的輸入留出足夠的空間，又能避免電池組進(jìn)入深放區(qū)間，綜合考慮到該類(lèi)型能量源起重機(jī)的節(jié)能效果和電池組的循環(huán)壽命，控制策略的靈敏度較好。