吳爾卡 肖 毅 倪松挺 陳 俠

1浙江大學(xué)杭州國(guó)際科創(chuàng)中心 杭州 311215 2寧波北侖第三集裝箱碼頭有限公司 寧波 315800

3浙江大學(xué) 杭州 310027

0 引言

隨著以碳達(dá)峰碳中和為目標(biāo)的現(xiàn)代能源生產(chǎn)、消費(fèi)體系建設(shè)的推進(jìn)，可再生能源將逐漸成為港口主要能量供應(yīng)來(lái)源，以電能替代石化能源的多種起重設(shè)備將在港口大規(guī)模覆蓋，對(duì)港口供配電系統(tǒng)設(shè)計(jì)、運(yùn)行提出了新要求。其中，輪胎式集裝箱門式起重機(jī)（以下簡(jiǎn)稱RTG）作為港口集裝箱堆場(chǎng)的主力起重裝備，市場(chǎng)占有率超過90%。傳統(tǒng)RTG采用柴油發(fā)電機(jī)組作為動(dòng)力，雖然機(jī)動(dòng)性強(qiáng)、轉(zhuǎn)場(chǎng)靈活，但同時(shí)存在運(yùn)營(yíng)成本高、噪聲大、環(huán)境污染等問題。隨著國(guó)際油價(jià)上升和綠色港口建設(shè)的內(nèi)在需求，我國(guó)具備改造條件的集裝箱碼頭基本因地制宜，結(jié)合電纜卷筒、低架滑觸線和高架滑觸線3種不同的供電方式，實(shí)施了”油改電”工程，即采用市電取代柴油發(fā)電機(jī)組為RTG提供動(dòng)力，稱為電動(dòng)輪胎式集裝箱門式起重機(jī)（以下簡(jiǎn)稱E-RTG），極大程度解決了港口節(jié)能和環(huán)保的問題，但卻喪失了RTG轉(zhuǎn)場(chǎng)的靈活性[1]。另一方面，RTG起升機(jī)構(gòu)在下降過程中，起升電動(dòng)機(jī)處于再生發(fā)電狀態(tài)，節(jié)能潛力巨大。目前針對(duì)勢(shì)能回饋節(jié)能技術(shù)主要有2大方向：1）能量回饋電網(wǎng)技術(shù)（AFE），采用基于三相全橋PWM的全控整流技術(shù)，將電能回饋至電網(wǎng)供其他設(shè)備使用，但對(duì)電網(wǎng)會(huì)造成有功功率沖擊及諧波污染[2，3]；2）共直流母線儲(chǔ)能技術(shù)，大多采用超級(jí)電容（EDLC）儲(chǔ)能技術(shù)，實(shí)現(xiàn)回饋能量的就地儲(chǔ)存及利用，但其能量密度低，價(jià)格昂貴，性能及市場(chǎng)表現(xiàn)不理想[4，5]。

得益于儲(chǔ)能技術(shù)的不斷發(fā)展，鋰離子電容器（LIC）這種新型電化學(xué)電容器，綜合了鋰離子電池和超級(jí)電容器的特性，具有良好的能量密度、功率密度以及循環(huán)性能。本文將采用鋰離子電容器儲(chǔ)能技術(shù)，設(shè)計(jì)面向港口E-RTG的能量管理系統(tǒng)，它集快速有功功率補(bǔ)償、再生能量回收及轉(zhuǎn)場(chǎng)多功能于一體，為上述港口電力系統(tǒng)及E-RTG所面臨的問題提供解決思路。

1 鋰離子電容器

鋰離子電池通過鋰離子在正負(fù)極材料上可逆的嵌入與脫出反應(yīng)，以實(shí)現(xiàn)能量的儲(chǔ)存與釋放，具有較高的能量密度（150～300 Wh/kg），但因電化學(xué)反應(yīng)速率慢且伴隨正負(fù)極材料的物相變化，功率密度較低（＜1 kW/kg），循環(huán)壽命并不理想[6]。超級(jí)電容基于靜電吸附原理和雙電層理論，通過在電極與電解液界面形成雙電層結(jié)構(gòu)來(lái)儲(chǔ)存能量。由于離子在電解液和電極表面的遷移速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于電化學(xué)反應(yīng)速度，超級(jí)電容具有優(yōu)異的功率（10 kW/kg）和循環(huán)（100萬(wàn)次）性能，而能量密度較低，通常小于10 Wh/kg。

鋰離子電容器通常由電池型負(fù)極材料、電容型正極材料及含鋰鹽的有機(jī)電解液組成，是一種介于鋰離子電池和超級(jí)電容器之間的新型儲(chǔ)能器件[7]。在充電過程中，電解液中的Li+在電勢(shì)差的驅(qū)動(dòng)下嵌入電池型負(fù)極材料中，而電解液中的陰離子通過靜電吸附在電容型正極材料與電解液之間形成雙電層。在放電過程中，Li+從電池型負(fù)極材料中脫出，同時(shí)陰離子從電容型正極材料表面脫附進(jìn)入電解液。因此，鋰離子電容器引入了正極材料的靜電表面吸/脫附過程以及負(fù)極材料的法拉第過程，使其繼承了超級(jí)電容的高功率密度和長(zhǎng)循環(huán)壽命的特點(diǎn)，并兼顧了鋰離子電池的較高能量密度的特點(diǎn)。目前商用鋰離子電容器能量密度、功率密度、循環(huán)壽命分別為50 Wh/kg、10 kW/kg、5萬(wàn)次，特別適用于機(jī)械能量回收等秒級(jí)和分鐘級(jí)應(yīng)用需求，應(yīng)用前景廣闊。

2 E-RTG能量管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)與控制策略

2.1 E-RTG負(fù)荷特性及功率、能量需求分析

E-RTG起升高度高，速度快，動(dòng)作頻繁，屬于沖擊性集群負(fù)載，其負(fù)荷特性包括有功沖擊、無(wú)功沖擊、諧波電流與簡(jiǎn)諧波電流。其額定起重量為40.6 t，起升高度為15.2 m，起升速度為23 m/s，年均處理10萬(wàn)標(biāo)箱以上。根據(jù)某集裝箱碼頭公司E-RTG運(yùn)行測(cè)試數(shù)據(jù)，對(duì)能量管理系統(tǒng)能量與功率需求進(jìn)行分析，測(cè)試集裝箱質(zhì)量為38 t，起升高度為15.2 m，額定起升速度為23 m/min，測(cè)試儀器為Fluke NORMA 6004+便攜式高帶寬精密功率分析儀。如圖1所示，E-RTG功率曲線從左至右分別對(duì)應(yīng)①空吊具下降→②帶箱起升→③帶箱下降→④帶箱起升→⑤帶箱下降→⑥空吊具上升等6個(gè)工作過程，對(duì)各部分積分可得對(duì)應(yīng)工作過程消耗或回收的能量。結(jié)果表明，帶箱起升過程峰值功率為332 kW，帶箱下降（再生能量回收）過程峰值功率為-237 kW，可回收電量1.6 kWh。

“油改電”工程滑觸線通常沿堆場(chǎng)橫向布置，線長(zhǎng)1 ～2 km，橫貫5～6個(gè)堆場(chǎng)，E-RTG可沿滑觸線直線移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)同一車道不同堆場(chǎng)的作業(yè)覆蓋。當(dāng)E-RTG需轉(zhuǎn)場(chǎng)至不同車道時(shí)，通常需改由柴油發(fā)電機(jī)組供電進(jìn)行轉(zhuǎn)場(chǎng)，操作繁瑣且不環(huán)保；而堆場(chǎng)縱向距離較短，基本小于500 m。E-RTG大車行走功率實(shí)時(shí)曲線如圖2所示，期間E-ERG行走100 m，平均功率為85 kW，峰值功率為150 kW，總耗能為1.8 kWh，單位能耗為18 Wh/m。

綜上所述，配置基于鋰離子電容器的能量管理系統(tǒng)容量為250 kW/10 kWh，可滿足E-RTG再生能量回收及相鄰2堆場(chǎng)之間（＜500 m）轉(zhuǎn)場(chǎng)運(yùn)行的功率與能量需求，同時(shí)壽命應(yīng)滿足年均10萬(wàn)次以上的放電次數(shù)。

2.2 能量管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1）能量管理系統(tǒng)整體方案

如圖3所示，E-RTG能量管理系統(tǒng)由鋰離子電容器組、雙向DC-DC變換器、逆變器等構(gòu)成。系統(tǒng)接入E-RTG變頻器的直流母線，通過雙向DC-DC變換器、逆變器與E-RTG原電源系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)能量交互，利用鋰離子電容器高比能、高功率、高循環(huán)壽命的特性，實(shí)現(xiàn)E-RTG起升時(shí)進(jìn)行有功功率補(bǔ)償、E-RTG下降時(shí)實(shí)現(xiàn)再生能量回收、作為轉(zhuǎn)場(chǎng)期間大車和輔助設(shè)備的動(dòng)力電源等功能。

E-RTG能量管理系統(tǒng)有市電和轉(zhuǎn)場(chǎng)2種工作模式。在市電模式下，E-RTG處于并網(wǎng)狀態(tài)，由市電與鋰離子電容器組共同為E-RTG供電。鋰離子電容器組的能量來(lái)自起升機(jī)構(gòu)下降過程中再生能量的回收，實(shí)現(xiàn)能量的本地回收及利用，可減小沖擊性負(fù)荷對(duì)電網(wǎng)導(dǎo)致的有功沖擊及諧波電流影響。在轉(zhuǎn)場(chǎng)模式下，首先控制市電經(jīng)DC-DC變換器將鋰離子電容器組充電，充滿后脫離市電，此時(shí)自動(dòng)切換至鋰離子電容器組作為電源為大車及輔助設(shè)備（油泵、空調(diào)、照明等）提供動(dòng)力。

2）基于MAP圖的電流閉環(huán)控制控制

雙向DC-DC變換器根據(jù)直流母線電壓控制鋰離子電容器充放電，同時(shí)維持直流母線電壓穩(wěn)定。如圖4所示，雙向DC-DC變換器采用基于MAP圖的電流閉環(huán)控制。其中，Udc、Usc分別為直流母線電壓和鋰離子電容器電壓，將其輸入MAP圖得到當(dāng)前狀態(tài)下最優(yōu)的鋰離子電容器充放電電流作為參考電流，與反饋電流作差得到電流誤差信號(hào)，經(jīng)過電流PI補(bǔ)償環(huán)節(jié)和脈沖寬度調(diào)制，以雙向DC-DC變換器。

如圖5所示，MAP圖分別用于鋰離子電容器充放電電流基準(zhǔn)值的確定和電流限幅的確定，兩者相乘得到參考電流Iref。其中，電流基準(zhǔn)值MAP圖的輸入為直流母線電壓，通過合理配置Ud1～Ud4電壓點(diǎn)、正向最大電流基準(zhǔn)值Icharge、負(fù)向最大電流基準(zhǔn)值Idischarge，可達(dá)到將直流母線電壓穩(wěn)定在一定電壓范圍內(nèi)的效果。當(dāng)直流母線電壓處于Ud2～Ud3時(shí)，電流基準(zhǔn)值為0，鋰離子電容器不進(jìn)行充放電；當(dāng)直流母線電壓小于Ud2時(shí)，負(fù)向電流基準(zhǔn)值隨直流母線電壓的減小線性增大，直至小于Ud1，負(fù)向電流基準(zhǔn)值穩(wěn)定在最大值，鋰離子電容器處于放電狀態(tài)；同理，當(dāng)直流母線電壓大于Ud3時(shí)，鋰離子電容器處于充電狀態(tài)。

電流限幅MAP圖輸入為超級(jí)電容電壓，通過合理配置Us1～Us4電壓點(diǎn)，可為鋰離子電容器提供過壓、欠壓保護(hù)。當(dāng)鋰離子電容器電壓處于Us2～Us3時(shí)，不對(duì)充放電電流進(jìn)行限制，而當(dāng)鋰離子電容器電壓大于Us3，或小于Us2時(shí)，電流會(huì)被逐步限制，直至限幅達(dá)100%。

3 E-RTG能量管理系統(tǒng)仿真分析

3.1 仿真模型參數(shù)輸入

E-RTG能量管理系統(tǒng)Simulink仿真模型主要包括電源模塊、變頻器模塊、異步電機(jī)模塊、能量管理系統(tǒng)模塊及控制模塊等。能量管理系統(tǒng)模塊包括雙向DC-DC變換器及鋰離子電容器，雙向DC-DC變換器由三相三重Buck-Boost變換器組成。鋰離子電容器用簡(jiǎn)化RC模型，其參數(shù)配置：額定容量為384 F，直流內(nèi)阻為70 mΩ，工作電壓為390～585 V，可用能量為10 kWh；由24個(gè)24 V/10 000 F模組24串1并組成，24 V/10 000 F模組由36只4 V/10 000 F超級(jí)電容單體6串6并組成。

4 V/10 000 F單體的電壓為2.5～4.0 V，額定容量為10 000 F，最大電流為150 A，直流內(nèi)阻為1.8 mΩ，循環(huán)壽命＞5 萬(wàn)次，工作溫度為-25℃～+55℃；24 V/10 000 F模組的直流內(nèi)阻為2.5 mΩ，電壓為15～24 V，儲(chǔ)存能量為432 Wh；624 V/384 F系統(tǒng)的直流內(nèi)阻為70 mΩ，工作電壓為390～585 V，可用能量為10 Wh。

基于MAP圖的電流閉環(huán)控制的仿真模型如圖6所示。電流環(huán)PI參數(shù)經(jīng)調(diào)試為KpI＝1， KiI＝100，輸出限幅為0.02～0.98，用來(lái)限定占空比范圍。電流基準(zhǔn)MAP圖中的節(jié)點(diǎn)電壓Ud1、Ud2、Ud3和Ud4設(shè)定為420 V、510 V、530 V和620 V，正/負(fù)向最大電流基準(zhǔn)值電流限幅設(shè)定為±500 A。電流限幅MAP圖中的節(jié)點(diǎn)電壓Us1、Us2、Us3和 Us4設(shè)定為300 V、320 V、480 V和500 V。

3.2 市電模式仿真分析

在增加能量管理系統(tǒng)后，由于鋰離子電容器組有功功率補(bǔ)償?shù)淖饔茫珽-RTG作業(yè)時(shí)市電有功功率需求由166 kW降至86 kW，如圖7a、圖7b所示。根據(jù)直流母線電壓與鋰離子電容器電壓曲線（見圖7c、圖7d）可知，當(dāng)E-RTG起升時(shí)，直流母線電壓下跌至458 V，雙向DC-DC變換器控制鋰離子電容器放電，超級(jí)電容電壓逐漸下降；當(dāng)E-RTG下降時(shí)，直流母線電壓提升至678 V，雙向DC-DC變換器控制鋰離子電容器充電，超級(jí)電容電壓逐漸上升。由于配置鋰離子電容器組容量為10 kWh，基本可杜絕因出現(xiàn)連續(xù)下降工況導(dǎo)致鋰離子電容器組充滿電而使制動(dòng)電阻動(dòng)作的情況。

3.3 轉(zhuǎn)場(chǎng)模式仿真分析

當(dāng)E-RTG欲進(jìn)行轉(zhuǎn)場(chǎng)作業(yè)時(shí)，首先控制市電經(jīng)DC-DC變換器給超級(jí)電容儲(chǔ)能單元充電至585 V，充滿后脫離市電自動(dòng)切換至鋰離子電容器組作為動(dòng)力電源。轉(zhuǎn)場(chǎng)期間鋰離子電容器組電壓與輸出功率曲線如圖8所示，鋰離子電容器輸出功率功率為127 kW，1 min后鋰離子電容器電壓由584 V降至539 V，共釋放能量2.7 kWh。大車速度為130 m/min，預(yù)計(jì)可實(shí)現(xiàn)E-RTG相鄰2堆場(chǎng)之間小于500 m的轉(zhuǎn)場(chǎng)運(yùn)行。

4 結(jié)論

1）鋰離子電容器兼顧高比能、高功率及高循環(huán)壽命，不僅適用于E-RTG高功率、頻繁的再生能量回收?qǐng)鼍埃瑫r(shí)也具備一定的能量以滿足E-RTG短距離轉(zhuǎn)場(chǎng)能量，大幅提高其靈活性；

2）能量管理系統(tǒng)在市電模式時(shí)可實(shí)現(xiàn)再生能量的就地儲(chǔ)存及利用，E-RTG在一個(gè)工作周期內(nèi)具備快速有功功率補(bǔ)償及再生能量回收能力，同時(shí)可減少回饋電能在輸電過程中的損耗，提高節(jié)能效率；轉(zhuǎn)場(chǎng)模式時(shí)，可實(shí)現(xiàn)E-RTG相鄰兩堆場(chǎng)之間小于500 m的轉(zhuǎn)場(chǎng)運(yùn)行，使E-RTG徹底實(shí)現(xiàn)零排放；

3）根據(jù)設(shè)備選型及市場(chǎng)調(diào)研，能量管理系統(tǒng)一次投資約40萬(wàn)元，整體質(zhì)量小于2 t，具備商業(yè)化價(jià)值，可為E-RTG改造起到示范與借鑒作用。