鋰電池混合動力輪胎吊AFE變換器控制策略研究

，，

(上海海事大學 航運技術與控制工程交通行業重點實驗室,上海 201306 )

鋰電池混合動力輪胎吊AFE變換器控制策略研究

吳杰，牛王強，劉曼

(上海海事大學航運技術與控制工程交通行業重點實驗室,上海201306 )

針對傳統采用不可控AC/DC變換器的混合動力輪胎式起重機系統，直流母線電壓泵升導致的柴油發電機空轉，造成能量浪費的問題;采用可控的有源前端變換器取代不可控的二極管整流，建立了AFE功率外環電流內環以及電壓外環電流內環兩種雙環控制方法以實現柴油發電機輸出功率的高效利用;運用matlab/simulink搭建了仿真模型，分別進行了鋰電池混合動力RTG系統重載、輕載、空載下的動態仿真，仿真結果表明，兩種雙環控制方法均能實現鋰電池混合動力RTG系統柴油發電機的恒功率輸出，控制系統具有較好的動態性能。

混合動力輪胎式起重機；有源前端變換器；恒功率控制

0 引言

隨著資源問題和環境問題的日益突出，對傳統單一柴油動力的輪胎式起重機(rubber tyre gantry，RTG)的改造勢在必行。油改電是國內外采用的措施之一，在上海的洋山港、天津港、美國洛杉機港等港口均有應用。主要采用電纜卷筒和滑觸線兩種供電方案，能量轉換效率比傳統RTG高很多，但存在需要敷設電纜、卷筒重量較大，投資成本較高等問題[1]，并且使RTG的移動受限。混合動力RTG配備超級電容、飛輪或蓄電池等儲能單元，將起重機制動和集裝箱下降時產生的能量進行回收，給儲能單元進行充電，并保留了RTG的機動性，有很好的應用前景。

有源前端(active front end，AFE)，采用全控型器件IGBT進行脈寬調制PWM(pulse width modulation)整流，學術上多稱為脈寬調制PWM整流器[2]。與傳統采用二極管的不可控整流相比，具有交流側輸入電流正弦性好、可實現單位功率因數和能量的雙向流動等優點，有重要的研究價值[3]。

對混合動力RTG的研究已經成為對傳統RTG進行改造的重點研究之一，而AFE變換器是系統中的重要電能變換設備，連接系統的柴油發電機和直流母線，起到整流、濾波、恒壓等作用。研究AFE的不同控制方法對混合動力RTG系統性能的影響，具有重要理論和實踐意義。

1 混合動力RTG工作原理及工作模式

1.1 系統工作原理

混合動力RTG系統在傳統柴油動力系統的基礎上增加一套儲能系統，日本住友重工采用了小容量鋰電池作為輔助動力源[4]，降低了柴油發電機組的容量，系統結構如圖1所示。通過將制動和下放集裝箱時負載電機回饋產生的電能逆變為直流電，通過雙向DC/DC變換器給鋰電池充電。由于采用小容量鋰電池，不能完全吸收再生制動產生的能量，導致直流母線電壓的泵升，而系統采用的不可控整流，母線電壓過高導致整流失敗，使柴油發電機空轉，故依然需要能耗電阻，吸收多余的電能。

圖1 住友重工混合動力RTG系統原理圖

1.1.2 大容量鋰電池混合動力RTG

本文的研究基于上海振華重工提出的基于大容量鋰電池混合動力RTG，采用50 KW小容量柴油發電機作為輔助動力。傳統的RTG需要根據負載功率需求峰值選取柴油發電機容量，而需求功率峰值僅在重載加速起升階段時出現，因而發電機大部分時間工作在低效率區域，造成了能量的浪費[5]。由于采用大容量鋰電池，直流側電壓比較穩定，因而省去了雙向DC/DC變換器，系統拓撲圖如圖2所示。AFE取代了不可控整流，當集裝箱重載下降時，盡管直流母線電壓有泵升現象，通過AFE的合適調控，柴油發電機仍可以高效的輸出恒定功率。大容量鋰電池可以充分吸收負載的再生功率和柴油發電機的補充功率，整個系統的能量得到了有效利用，節油率可達57%[5]。研究AFE的不同控制方法對混合動力RTG系統性能的影響，具有重要理論和實踐意義。

圖2 大容量混合動力RTG原理圖

1.2 鋰電池RTG系統主要參數

額定負載40 t，吊具自重11 t，小車自重25 t；滿載、輕載、空載起升速度分別為26 m/min、45 m/min、52 m/min；大車、小車速度分別為90 m/min、70 m/min；起升高度18.1 m；鋰電池組額定電壓640 V；小車功率2×15 kW，大車功率2×50 kW，起升電機功率180 kW[5]。

1.3 鋰電池RTG系統工作模式

混合動力RTG系統主要分“起升時混合供電”和“下降時混合充電”兩種工作模式：起升時，鋰電池與柴電機組共同為負載供電如圖3所示。下降時，負載電機回饋產生的電能與柴電機組共同為鋰電池充電如圖4所示。

圖3 起升時混合供電模式

圖4 下降時混合充電模式

2 AFE變換器的拓撲結構及數學模型

2.1 AFE的拓撲結構

AFE的拓撲結構如圖5所示，整流橋為三相橋式全控整流電路，ea(t)(k=a,b,c) 為發電機側等效電動勢，Vdc為直流側輸出電壓，L為交流側等效電感，R是交流側等效電阻，C為直流側濾波電容，Rl為等效的負載電阻[6-7]。

當然，筆者并不是說，賦予人工智能法律人格迫在眉睫。正如本文開頭所言，當前人工智能的發展仍處在弱人工智能之階段，這種情況下，試圖在現有法律框架下解決人工智能帶來的法律爭議，既是可行的，更是可以理解的。然則，面對人工智能的飛速發展，我們也許必須保持一種開放性態度，即，不應將固守現有法律框架作為解決人工智能法律爭議的前提，并因此而對其他路徑遽然否定。

圖5 AFE拓撲結構圖

2.2 AFE的數學模型

根據AFE的拓撲結構，可得三相靜止坐標系a-b-c下數學模型[8]：

(1)

式中,Sa，Sb，Sc分別a，b，c相開關函數；ia，ib，ic分別為交流側a，b，c相電流，Vdc，iL分別為直流側母線電壓和負載電流。

式(1)中三相靜止坐標系a-b-c下的數學模型中存在時變的交流量，不便于控制器的設計。因此，通過坐標變換，將三相靜止坐標系下數學模型轉換至兩相同步旋轉d-q坐標下，數學模型如下式[9]：

(2)

式中,ed，eq分別為AFE輸入側電壓的d,q軸分量；vd，vq與id，iq分別為發電機等效電動勢d,q軸分量，上述分量都是在兩相同步旋轉坐標系下的直流量，便于控制系統的設計。

3 鋰電池混合動力RTG兩種AFE的控制方法分析

3.1 AFE的控制方法

目前，AFE變換器主要有電流控制和功率控制兩大類控制方法。電流控制根據是否引入電流反饋可以分為直接電流控制和間接電流控制。功率控制從能量控制的角度出發，通過對輸出的有功、無功功率進行控制，進而間接的控制輸出電流。主要有固定開關頻率直接功率控制和開關表直接功率控制兩種控制方法[10]。直接電流控制因具有較好的動、靜態性能而得到了較多的應用[11]，本研究采用直流電流控制方法，并在直流電流控制方法的電流內環前饋解耦基礎上提出功率外環恒功率控制方法和電壓外環的恒電壓控制方法，以分別實現AFE變換器的恒功率與恒電壓控制。

3.2 電流內環前饋解耦控制策略

從上式(2)所述的d-q軸同步旋轉坐標系下的數學模型可以看出，d,q軸電流存在交叉耦合項，控制器設計不方便。可采用前饋解耦控制策略[12]，消除耦合項，電流調節器采用PI調節器時，可得vd，vq方程如下式(3)所示：

(3)

將式(3)代入式(2)可得d-q同步旋轉坐標系下的電流前饋解耦數學模型：

(4)

圖6 電流內環前饋解耦控制原理框圖

電流內環控制系統設計如下：

AFE電流內環的控制性能直接影響整個控制系統的控制效果，電流內環的給定值由電壓或功率外環提供，按照外環的指令電流進行控制，使輸入的電流跟蹤指令電流。

由于電流內環的有功電流id、無功電流iq控制結構相同，因此，僅對有功電流id的控制器進行分析，由式(4)可得電流內環控制框圖如圖7。

圖7 電流內環控制框圖

(5)

3.3 電壓外環恒壓控制策略

電壓外環將給定電壓與直流側電壓測量值的差，作為PI控制器的輸入，輸出作為內環電流的參考值，電流內環控制器實時控制SPWM，使直流母線電壓跟蹤給值，從而達到穩壓的作用。

3.4 功率外環恒功率控制策略

將直流側的電壓、電流取樣，經乘法器得到電壓、電流的乘積信號作為實際功率值，然后和功率參考值比較差值作為外環PI控制器的輸入值，輸出值作為內環有功電流的參考值。恒功率控制在直流側電壓較高時作為電壓源，電壓較低時作為電流源，實時調整電壓、電流值，從而在一定偏差范圍內達到近似的恒功率控制。恒功率控制的控制框圖如圖9。

圖9 恒功率控制框圖

4 鋰電池RTG系統仿真結果及分析

為了驗證上述控制策略的可行性，運用matlab/simulink搭建了鋰電池混合動力RTG系統仿真模型。針對恒電壓控制搭建了集裝箱重載40 t的仿真。針對恒功率控制分別進行了系統集裝箱重載(40 t)、集裝箱輕載(10 t)、集裝箱空載的仿真實驗，通過調節負載異步電機轉速輸入的正負，模擬系統加速起升和下降集裝箱(回饋發電)過程。

4.1 系統仿真參數

永磁同步電機線電壓有效值440 V，額定功率50 kW，額定轉速n=1 500 r/min，直流側電壓額定值 712 V，交流側等效電阻0.01 Ω，電感L=1 mH，直流側電容C=5 mF，等效負載電阻10 Ω，經換算得負載異步電機空載轉速1 740 r/min、輕載1 524 r/min、重載轉速870 r/min。

4.2 恒電壓控制仿真結果

圖10所示為集裝箱重載40 t，恒電壓控制仿真結果：分別為直流母線電壓、AFE輸出功率、鋰電池功率。系統在0～46 s為集裝箱起升過程，48～94 s為下降過程。起升階段鋰電池負載功率較大，直流母線電壓最低為636 V，有76 V穩態壓降；下降過程，直流母線電壓穩定在700 V，負載電機回饋電能給直流側，小幅提升了直流母線電壓，電壓略高于鋰電池組額定電壓，回饋的電能給并聯在母線上的鋰電池充電，母線電壓跟蹤性能較好。起升與下降過程鋰電池組輸出功率分別為243 KW，-193 KW(鋰電池充電)。

圖10 恒電壓控制重載40 t仿真圖

4.3 恒功率控制仿真結果

圖11所示為40 t重載，采用功率外環，電流內環的雙環控制仿真結果。由仿真波形可知，系統在集裝箱起升與下降過程中，由柴油電機輸出給負載的功率平均值基本穩定在給定值50 kW附近，直流側電壓在起升過程穩定在627 V，下降過程穩定在697 V，系統在起升與下降過程的過渡比較平穩。

圖11 恒功率控制重載40 t仿真圖

由圖可知，起升時鋰電池組輸出功率250 kW，負載功率240 kW；柴油電機輸出功率50 kW；下降過程電池充電功率191 kW，負載電機回饋功率195 kW。

由仿真可得，起升與下降過程鋰電池組輸出功率分別為250 kW，-191 kW；負載電機輸出功率分別為240 kW,-195 kW(再生發電)；柴油電機輸出功率50 kW。

起升階段供電功率：

下降過程負載電機回饋能量效率：

通過圖10和圖11對恒電壓、恒功率兩種控制方法在重載時的仿真結果進行對比，可知兩種方法對直流母線電壓、柴油發電機輸出功率的控制效果并無較大差異，均能夠實現控制方案預期的對柴油發電機50 kW恒定功率輸出的控制效果。直接并聯在直流母線的鋰電池在集裝箱起升和下降過程能夠根據負載功率需要同步調整輸出功率，驗證了重載工況下恒功率控制方案的可行性。

圖12與圖13分別為采用恒功率控制策略時，集裝箱輕載10 t與空載時的仿真波形。其中輕載時0～25.8 s為集裝箱起升過程，27.8～53.6 s為下降過程；空載時0～23 s為起升過程，25～48 s為下降過程。由波形圖可知，輕載和空載時柴油發電機組輸出功率均能較穩定的跟蹤給定值50 KW，與40 t重載輸出功率波形比較，可以明顯看出AFE輸出功率基本不受負載的變化而變化，實現了較穩定的恒功率輸出控制。輕載與空載時測得起升過程直流母線電壓分別為655 V、 664 V；下降過程母線電壓分別為695 V、688 V，與重載仿真數據相比，可知隨著負載的減小，起升過程鋰電池輸出功率相應減小;下降過程，隨著負載的減小，回饋的功率也相應減小，鋰電池充

圖12 恒功率控制輕載仿真圖

圖13 恒功率控制空載仿真圖

電功率減小，仿真所得母線電壓也有小幅度的降低。整個仿真過程，母線電壓波動較小，符合大量容量鋰電池混合動力RTG系統的工作特性。

5 結論

本文對AFE變換器在三相靜止坐標系、兩相旋轉坐標系下的數學模型進行了分析并結合大容量鋰電池混合動力RTG系統的特點，在電壓外環、電流內環的傳統AFE控制方法的基礎上，提出了功率外環、電流內環的控制方法。并運用matlab/simulink工具進行了仿真。仿真結果表明，采用恒壓控制方法時，控制系統有較好的電壓跟蹤性能。采用恒功率控制方法時，AFE輸出功率能夠實現恒功率輸出，與恒壓控制相比，兩種控制方法都能實現較好的功率控制，都可用于大容量鋰電池混合動力RTG系統的柴油發電機的功率調控。

[1] 李 娜.龍門吊“油改電”碳排放量核算及其效益分析模型[D].大連:大連海事大學,2013.

[2] 王 穎. PWM整流器數學建模及參數整定方法[J]. 電力系統及其自動化學報, 2014, 26(5):55-59.

[3] Radionov A A, Radionova L V, Chernyshev A D. Mathematical Description of AFE Rectifier Closed Loop System[J]. Procedia Engineering, 2015, 129:16-21.

[4] 黃 婷, 徐 磊, 黃細霞,等. 3種典型混合動力RTG的比較分析[J]. 電源技術, 2016, 40(7):1399-1402.

[5] Niu W, Huang X, Yuan F, et al. Sizing of Energy System of a Hybrid Lithium Battery RTG Crane[J]. IEEE Transactions on Power Electronics, 2016, PP(99):1-8.

[6] 張穎超, 趙爭鳴, 魯 挺,等. 固定開關頻率三電平PWM整流器直接功率控制[J]. 電工技術學報, 2008, 23(6):72-76.

[7] Zhang Y, Qu C, Gao J. Performance Improvement of Direct Power Control of PWM Rectifier Under Unbalanced Network[J]. IEEE Transactions on Power Electronics, 2017, 32(3):2319-2328.

[8] Guo J, Zhang L, Deng F. Decoupled Control of the Active and Reactive Power in Three-phase PWM Converter Based on Inverse System Theory[A]. IEEE International Conference on Automation and Logistics[C]. 2007:714-718.

[9] 鐘炎平. 一種新的PWM整流器電流解耦控制策略[J]. 電工技術學報, 2005, 20(8):74-77.

[10] 羅悅華, 伍小杰, 王晶鑫. 三相PWM整流器及其控制策略的現狀及展望[J]. 電氣傳動, 2006, 36(5):3-8.

[11] 丁 奇, 嚴東超, 曹啟蒙. 三相電壓型PWM整流器控制系統設計方法的研究[J]. 電力系統保護與控制, 2009, 37(23):84-87.

[12] 王恩德, 黃聲華. 三相電壓型PWM整流的新型雙閉環控制策略[J]. 中國電機工程學報, 2012, 32(15):24-30,18.

[13] 陳伯時. 電力拖動自動控制系統:運動控制系統[M]. 北京：機械工業出版社, 2010.

ControlStrategiesofAFEConverterforLithiumBatteryPoweredHybridRubberTyreGantryCrane

Wu Jie ，Niu Wangqiang ，Liu Man

(Ministerial Key Lab of Marine Technology and Control Engineering, Shanghai Maritime University, Shanghai 201306，China)

Due to the using of an uncontrollable AC/DC rectifier in traditional hybrid rubber tyre gantry crane, there is a problem that the diesel generator might go into idling because of the DC bus voltage pumping , which leads to the waste of energy. Replacing the uncontrolled diode rectifier with a controllable active front end converter, a power outer loop control method and a voltage outer loop control method of the AFE converter are proposed to realize the efficient use of diesel generator. A Matlab/simulink simulation model is built and simulations are carried out under the condition of heavy load, light load and no load. Simulation results show that the two control methods can both achieve constant power output of the diesel generator and the control system has a good dynamic performance.

hybrid rubber tyre gantry (RTG) crane; active front end (AFE)converter; constant power control

2017-03-23；

2017-04-12。

上海市科學技術委員會科技創新行動計劃(13dz1202800) 。

吳 杰(1990-)，男，湖北省武漢市人，碩士研究生，主要從事混合動力起重機控制方向的研究。

1671-4598(2017)09-0079-04

10.16526/j.cnki.11-4762/tp.2017.09.021

TP391.9

B