劉海威++張敏

摘要：

針對集裝箱龍門起重機的具體工況需求和特點，構(gòu)建一種適用于集裝箱龍門起重機的增程式混合動力系統(tǒng)，提出并分析該動力系統(tǒng)的能量智能控制策略，設(shè)計相應(yīng)的智能控制模型.通過以動力電池組的荷電狀態(tài)（StateOfCharge，SOC）和集裝箱龍門起重機運行能量需求為模糊輸入，以動力電池組的充電功率為模糊輸出，實現(xiàn)了對增程式混合動力系統(tǒng)的智能控制.仿真結(jié)果驗證了該控制策略和控制模型的可行性和有效性.

關(guān)鍵詞：

集裝箱龍門起重機；能量智能控制策略；增程式混合動力系統(tǒng)

中圖分類號：U653.921

文獻標(biāo)志碼：A 收稿日期：20160108 修回日期：20160321

0引言

在化石能源危機和環(huán)境污染問題面前，節(jié)能減排成為各行業(yè)的共同目標(biāo).我國沿海大型集裝箱碼頭已對集裝箱龍門起重機實施了大規(guī)模的“油改電”工程[1]，實現(xiàn)了龍門起重機在作業(yè)場區(qū)范圍內(nèi)由市電提供電能運行，大大降低了能耗.然而，龍門起重機在經(jīng)過道口或者轉(zhuǎn)換作業(yè)場區(qū)時仍需要柴油發(fā)電機提供運行能量，高架滑觸線供電的集裝箱龍門起重機在雷電天氣仍無法安全取電，只能重新啟動原有大功率柴油發(fā)電機.集裝箱龍門起重機屬于典型的位能型重載物流裝備，重載下降時位能經(jīng)由電動機轉(zhuǎn)換成的發(fā)電機而產(chǎn)生的可再生電能，目前都是運用接通在變頻器直流母線上的制動電阻發(fā)熱消耗掉的，目的是防止在直流母線上產(chǎn)生的“泵升電壓”損壞電氣系統(tǒng)[2]，這又明顯存在著能量浪費.

依靠混合動力來解決以上問題的技術(shù)受到了業(yè)界的普遍關(guān)注，主要技術(shù)路線是：在變頻器的直流母線上并列儲能裝置，如超級電容、鋰電池、飛輪電池等，依靠回收起重機的下降能量或調(diào)節(jié)柴油發(fā)電機的轉(zhuǎn)速達到節(jié)能的目的.此類技術(shù)仍需要大功率柴油發(fā)電機直接為集裝箱龍門起重機的運行提供能量，構(gòu)建以小功率取代大功率的柴油發(fā)電機為動力電池組充電、以大電流同時充放電的鎳氫超級動力電池組供給集裝箱龍門起重機全部運行能量的增程式混合動力能源系統(tǒng)，是解決該問題的途徑之一.由于小功率柴油發(fā)電機的運行工況與集裝箱龍門起重機的運行工況不相干，可以使小功率柴油發(fā)電機工作在最佳工作區(qū)域[3]，并且可以使動力電池組回收和存儲重載下降時產(chǎn)生的可再生能量，這是在現(xiàn)有集裝箱龍門起重機“油改電”工程后開展的更深一步的節(jié)能研究.

1能源系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

集裝箱龍門起重機運行能量需求及可再生能量的產(chǎn)生因作業(yè)工藝、作業(yè)效率和重載高度的不同而不盡相同，其能量需求表現(xiàn)出魯棒性差、非線性及時變性強、持續(xù)時間短且極其頻繁的顯著特征.現(xiàn)行的混合動力集裝箱龍門起重機的能源結(jié)構(gòu)基本上是在直流母線上并聯(lián)能量存儲裝置，關(guān)于此已有較多成功的工程案例和學(xué)術(shù)文獻報道.原有的大功率柴油發(fā)電機需要直接為起重機的運行提供能量，因而其功率的減小受到集裝箱龍門起重機整機裝機容量的限制，且在能耗和排放上受到約束.本文構(gòu)建增程式混合動力集裝箱龍門起重機能源系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)（見圖1）來進一步解決和優(yōu)化該問題.

增程式混合動力集裝箱龍門起重機能源系統(tǒng)是在原有集裝箱龍門起重機電氣系統(tǒng)中用小功率的柴油發(fā)電機和鎳氫超級動力電池組替換原來的大功率柴油發(fā)電機而成的.機上所有馬達及輔助用電設(shè)備均由鎳氫超級動力電池組提供能量，動力電池組還可以回收、存儲起升機構(gòu)下降時產(chǎn)生的可再生能量.小功率柴油發(fā)電機不再直接提供集裝箱龍門起重機運行所需的能量，而僅對動力電池組進行充電.增

程式混合動力集裝箱龍門起重機的機械特性和功率

特性可以不受其裝機容量和運行功率特性的限制，只需要與鎳氫超級動力電池組的充電特性匹配.可工作于頻繁啟停模式的小功率柴油發(fā)電機可以促進能耗和排放的進一步降低.

由于該起重機采用的是增程式混合動力能源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，其運行所需的全部能量來自鎳氫超級動力電池組，因此電池組的功率特性需要滿足所有瞬時功率的需要，放電電流和能量回收的充電電流可能會因作業(yè)工況的不同而波動很大.該起重機容量特性既要考慮系統(tǒng)建造時電池組容量過大造成的經(jīng)濟成本，又要顧及電池組容量過小而頻繁深度充放電對電池組循環(huán)壽命的影響.

2能量的控制需求及模型

增程式混合動力汽車在能量控制策略研究方面已進行了多年.WALSH等[4]針對增程式電動車提出控制策略，根據(jù)荷電狀態(tài)（StateofCharge，SOC）值、車輛需求功率等參數(shù)進行模式切換；胡平等[5]以仿真方式對比研究了增程式混合動力汽車（發(fā)動機以恒定功率工作、發(fā)動機在3個固定工作點上工作、發(fā)動機沿著某條曲線工作等）不同能量控制策略的優(yōu)劣.針對增程式混合動力能源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，傳統(tǒng)的串聯(lián)式混合動力汽車能量控制策略主要采用恒溫器控制模式.恒溫器控制模式：在動力電池的SOC值下降到下限值后，發(fā)動機啟動充電（工作于最低油耗或者最佳排放點），將電池的SOC值充電到上限值.該控制模式對動力電池組的循環(huán)壽命極為不利.集裝箱龍門起重機的運行工況與汽車的運行工況差異很大，其起升和下降動作切換頻繁，需要動力電池組能夠在大電流功率輸出與輸入之間頻繁切換；在特殊的裝船或者卸船工況時，又需要動力電池組能持續(xù)進行單向大電流功率輸出和輸入.因此，把采用恒溫器控制模式的能量控制策略用于增程式混合動力集裝箱龍門起重機的效果并不理想.

本文研究的增程式混合動力集裝箱龍門起重機的能量控制策略需要考慮到鎳氫超級動力電池組的SOC值、集裝箱龍門起重機運行能量需求以及小功率發(fā)動機充電的起始時間和充電功率的大小，以滿足集裝箱龍門起重機運行功率、容量需求及動力電池組循環(huán)壽命的要求.能量運行控制策略的實時性要求較高，不一定需要找到最優(yōu)解，只需找到非劣最優(yōu)解，即Pareto最優(yōu)解[6].因此，本文采用模糊邏輯的方法研究增程式混合動力集裝箱龍門起重機的能量調(diào)度控制策略，并給出鎳氫超級動力電池組充放電功率的具體參數(shù).

模糊控制是一種以模糊集理論、模糊語言變量以及模糊控制邏輯推理為基礎(chǔ)的智能控制方法，模糊控制已成為智能控制的一個重要分支[7].由于模糊控制可以采用人類思維中的模糊量如“高”“中”“低”等由模糊規(guī)則推導(dǎo)出控制量，可根據(jù)系統(tǒng)實時動態(tài)情況實施控制，非線性控制效果好[8]，因而模糊控制被廣泛用于難以定量表達控制規(guī)則的系統(tǒng)中.

在增程式混合動力集裝箱龍門起重機能源系統(tǒng)能量模糊控制模型中，以混合動力集裝箱龍門起重機運行所需能量Qr和鎳氫超級動力電池組的當(dāng)前存儲電量μSOC為輸入變量，以小功率發(fā)動機對鎳氫超級動力電池組的充電功率Pin為輸出變量.增程式混合動力集裝箱龍門起重機能源系統(tǒng)的模糊控制模型見圖2.

3能源系統(tǒng)模糊變量空間劃分及隸屬度函數(shù)

普通集合是具有某種屬性的對象的全體.這種

屬性所表達的概念是界限分明的“非此即彼”現(xiàn)象，

因而每個對象與集合的隸屬關(guān)系也是清晰的.但現(xiàn)實中普遍存在著的“亦此亦彼”的模糊現(xiàn)象是普通集合無法描述的.1965年美國加利福尼亞大學(xué)控制論專家扎德首先提出了模糊集合的概念，其定義[9]為：設(shè)

A是集合X到[0，1]的一個映射，A：X→[0，1]，X→A（X），則稱X是A上的模糊集，稱A（X）為模糊集A的隸屬度函數(shù)（或稱A（X）為X對模糊集A的隸屬度）.

根據(jù)典型的起重量為40t的集裝箱龍門起重機各機構(gòu)的電機額定功率及輔助用電設(shè)備的額定功率運行組合，將控制模型輸入變量Qr的論域表達為Z={-110，-80，-30，50，120，150，180，210，240}，其中各數(shù)字表示需求功率的大小，負(fù)值表示產(chǎn)生可再生能量的大小，正值表示各機構(gòu)運行所需功率的大小，對應(yīng)的模糊集合為A=

{EB，VB，SB，SF，LF，MF，CF，VF，EF}

，依次表示該起重機運行時產(chǎn)生可再生能量的程度（從大到小）和所需運行能量的程度（從小到大）.

根據(jù)鎳氫超級動力電池組的充放電特性以及動力電池組設(shè)定的深充深放運行限制條件，將控制模型輸入變量μSOC的論域表達為Z={2，3，4，5，6，7，8，9，10}，其中各數(shù)字分別表示鎳氫超級動力電池組的SOC值在[0.2，1]的狀態(tài)，對應(yīng)的模糊集合為B=

{EL，OL，CL，L，H，CH，MH，VH，EH}

，依次表示鎳氫超級動力電池組荷電的程度（從極少到極多）.

根據(jù)小功率發(fā)電機的輸出功率，將控制模型輸出變量Pin的論域表達為Z={0，1，2，3，4，5，6，7，8}，數(shù)字0表示不充電，1至8分別表示以10kW為間隔的充電功率大小，其相應(yīng)的模糊集合為C={O，ES，VS，S，MS，MB，B，HB，ZB}，依次表示充電的程度（從不充電到以額定最大功率充電）.

結(jié)合工程經(jīng)驗和知識，對Qr，μSOC和Pin都選擇模糊控制中最常用的三角函數(shù)作為其隸屬度函數(shù)[10].從圖3可以看出，相鄰隸屬度函數(shù)的交點的隸屬度值較高，可以實現(xiàn)控制的高魯棒性，但控制靈敏度有所下降，通常交點不大于0.5.

4能源系統(tǒng)模糊控制規(guī)則及模糊推理

4.1能源系統(tǒng)模糊控制規(guī)則

模糊規(guī)則通常采用“如果…則…”的表達形式進行描述，即：

Ri：如果xin是Ai，且yin是Bi，則Z等于fi（xin，yin），i=1，2，…，m.

Ri表示第i條規(guī)則，xin和yin表示系統(tǒng)的輸入變量，Ai和Bi分別表示兩個輸入變量的模糊集合，fi表示輸出變量的模糊集合，m表示模糊規(guī)則的總數(shù).

模糊控制規(guī)則多來源于專家知識庫和工程經(jīng)驗.兩者越豐富、準(zhǔn)確，則描述的模糊規(guī)則也越精確.在專家知識庫和工程經(jīng)驗不足的情況下，無法制定模糊規(guī)則.為解決該問題，學(xué)界也提出了針對隸屬度

函數(shù)和模糊規(guī)則的多種優(yōu)化方法，例如自適應(yīng)算法，粒子群算法和遺傳算法等[1114].

集裝箱龍門起重機能量需求和可再生能量的產(chǎn)生表現(xiàn)出隨機性高和魯棒性差的特點，必須根據(jù)工藝和工況特征給出明確的控制規(guī)則查詢表，以支持系統(tǒng)的實時運行.針對特殊作業(yè)工況，還需要滿足可以對控制規(guī)則進行人工干預(yù)的條件.因此，本文結(jié)合現(xiàn)場工程師經(jīng)驗、集裝箱龍門起重機運行所需能量區(qū)間分級以及鎳氫超級動力電池組充放電特性，給出離線控制規(guī)則查詢表.根據(jù)輸入變量的模糊空間劃分，給出81條增程式混合動力集裝箱龍門起重機能源系統(tǒng)工作參數(shù)模糊控制規(guī)則查詢表，見表1.

4.2能源系統(tǒng)模糊控制推理

模糊推理是根據(jù)已經(jīng)建立的輸入、輸出隸屬度函數(shù)和模糊推理規(guī)則，對模糊輸入和輸出變量運用模糊邏輯運算的常用算法，得出模糊系統(tǒng)的輸出.可以將鎳氫超級動力電池組模糊控制推理后的模糊輸出量寫為

模糊“與”運算“and”表達兩個輸入變量之間的邏輯運算關(guān)系，本文采用最小法，即兩個輸入變量之間

“與”運算結(jié)果為二者之間的小者：

蘊含運算“→”是指模糊規(guī)則中條件與結(jié)論之間的關(guān)系，通過輸入變量的隸屬度和蘊含算子可以確定結(jié)論的隸屬度，模糊推理就是基于模糊邏輯中的蘊涵關(guān)系及模糊規(guī)則集進行的.本文采用模糊最小蘊含運算法：

4.3能源系統(tǒng)模糊控制工作參數(shù)清晰化輸出

根據(jù)模糊隸屬度函數(shù)和模糊規(guī)則進行模糊推理得出的結(jié)果仍是在輸出變量模糊論域里的結(jié)果，無法應(yīng)用于實際的控制.增程式混合動力集裝箱龍門起重機能源系統(tǒng)的充電功率要保證能源系統(tǒng)有足夠的功率和容量來滿足集裝箱龍門起重機的實際運行，并減少小功率發(fā)動機的運行（以達到節(jié)能減排的目的），因而其輸出需要有明確的結(jié)果用于控制發(fā)動機的運行.

本文采用清晰化計算方法的重心法、中位數(shù)法和最大隸屬度法的重心法，考慮變量的論域都是離散值，取

5能量智能控制策略結(jié)果及分析

經(jīng)過模糊運算后，得出增程式混合動力集裝箱龍門起重機能量智能控制策略的輸出結(jié)果，見圖4.

從圖4中可以得出，根據(jù)荷電狀態(tài)和能量需求的不同程度，可以給出明確的動力電池組充電功率

控制方案.實際運行時能量控制策略采用基于Excellink鏈接的MATLAB計算軟件和Excel軟件平臺運行，模糊控制規(guī)則可以根據(jù)碼頭的實際作業(yè)習(xí)慣、工藝要求以及人為干預(yù)的要求進行調(diào)整，把清晰化

輸出的模糊控制工作參數(shù)的控制結(jié)果查詢表輸出到

Excel中（見表2），作為小功率發(fā)動機調(diào)速系統(tǒng)的控制輸入.

從表2可得出：在動力電池組SOC值低于0.5時，不考慮集裝箱龍門起重機的能量需求，發(fā)動機將以大功率對動力電池組進行充電，以盡快改變電池組的深放狀態(tài)，改善由此對電池組循環(huán)壽命造成的

影響，控制策略的魯棒性較好；在動力電池組SOC值處于0.6～0.8時，發(fā)動機將根據(jù)集裝箱龍門起重機的功率需求及電池組的荷電狀態(tài)動態(tài)調(diào)整對電池組的充電功率，以滿足集裝箱龍門起重機正常運行的功率需求并避免電池組進入深放狀態(tài)，控制策略的靈敏度較好.

實際運行的鎳氫超級動力電池組因為具備大電流充放電的特性，當(dāng)電池組SOC值略有下降（即處于0.8～1.0）時，發(fā)動機雖然可以及時以低于5kW的小功率對其進行充電，既保護電池組處于淺充淺放的工作狀態(tài)，又減少了發(fā)動機的排放，但發(fā)動機未必可以工作于最經(jīng)濟或者排放最少區(qū)域.本文研究的能量控制策略對可頻繁啟動的小功率發(fā)動機的運行特性給出了機械和功率特性指標(biāo)的技術(shù)要求.

6能量智能控制實驗

依據(jù)本文研究的增程式混合動力集裝箱龍門起重機運行能量控制策略，采用功率為80kW的小功率柴油發(fā)電機和容量為50A·h的鎳氫超級動力電池組組成起重量為40t的集裝箱龍門起重機的能量系統(tǒng).起重機以40t的配重連續(xù)起升和下降50min，實驗記錄的動力電池組的電流、電壓、SOC值變化曲線見圖5.

由圖5可知：動力電池組可以以大電流連續(xù)滿足起升機構(gòu)上升運行的需要，同時能及時回收起升機構(gòu)下降運行時產(chǎn)生的可再生能量；從SOC值變化曲線可知，動力電池組的SOC值維持在0.6～0.7，其變化狀態(tài)也能確切地反映出起升機構(gòu)的運行工況.由于實驗條件是集裝箱龍門起重機針對40t

額定起重量負(fù)載運行，下降運行時可回收的能量最大為起升運行時所需能量的66%，在起升機構(gòu)起升和下降動作的間隔期間，小功率柴油發(fā)電機可以依照

能量控制策略對動力電池組進行充電，從而將動

力電池組的放電狀態(tài)維持在穩(wěn)定的區(qū)間內(nèi)，驗證了本文研究的增程式混合動力集裝箱龍門起重機能量控

制策略和控制模型的可行性和有效性.

實驗結(jié)果表明本文研究的以集裝箱龍門起重機運行能量需求和鎳氫超級動力電池組的荷電狀態(tài)為輸入、以小功率發(fā)電機對電池組的充電功率為輸出的智能控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和控制策略，實現(xiàn)了可再生能量的優(yōu)化回收和再利用，同時降低了集裝箱龍門起重機的排放和維修成本.

7結(jié)論

構(gòu)建鎳氫超級動力電池組和小功率發(fā)電機組成的增程式混合動力集裝箱龍門起重機能源系統(tǒng)結(jié)構(gòu).實際驗證結(jié)果表明，控制模型和控制策略可以滿足集裝箱龍門起重機的運行需求，能夠?qū)崿F(xiàn)對可再生能量的最大化利用，降低混合動力集裝箱龍門起重機的能耗和排放.通過對模型輸入和輸出參數(shù)隸屬度函數(shù)和控制規(guī)則的優(yōu)化，使該控制模型和策略滿足更大范圍的、不同布置形式和不同作業(yè)工藝的集裝箱碼頭的龍門起重機的運行和節(jié)能降耗需求.本文的研究可以為解決位能型裝備的同類工程技術(shù)問題提供理論計算的依據(jù)和參考.

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