超級(jí)電容在移動(dòng)式港口起重機(jī)上的系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法

彭光玉 曹永新

(1.江蘇潤(rùn)邦重工股份有限公司，江蘇南通 226013;2.南通潤(rùn)邦重機(jī)有限公司，江蘇南通 226013)

0 引言

移動(dòng)式港口起重機(jī)(簡(jiǎn)稱MHC)通常采用柴油發(fā)電機(jī)組作為動(dòng)力源，在裝卸作業(yè)過(guò)程中，需要多個(gè)機(jī)構(gòu)同時(shí)工作來(lái)提高效率，短時(shí)需要足夠的瞬時(shí)功率，此時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)處于過(guò)載狀態(tài)，導(dǎo)致轉(zhuǎn)速下降，并伴隨黑煙產(chǎn)生，電壓降低，及降速運(yùn)行影響了起重機(jī)裝卸效率，在這種情況下增加超級(jí)電容系統(tǒng)能很好解決這個(gè)問(wèn)題，基于超級(jí)電容本身具有快速充放電的特點(diǎn)，驅(qū)動(dòng)負(fù)載時(shí)可以快速提供大電流彌補(bǔ)系統(tǒng)動(dòng)力不足，在下降及制動(dòng)過(guò)程利用超級(jí)電容吸收多余電能，為下一個(gè)工作循環(huán)提供動(dòng)力，因此節(jié)約了燃油，提升了工作效率。

1 工作原理

圖1 超級(jí)電容放電

起重機(jī)提升重物時(shí)電動(dòng)機(jī)工作在第一象限，直流母線電壓降低，DC-DC變換器放電模式，超級(jí)電容釋放電能，能量流向直流母線，如圖1。

當(dāng)重物下放或減速制動(dòng)時(shí)，電動(dòng)機(jī)工作在第四象限，直流母線電壓升高，DC-DC變換器處于充電模式，電能由直流母線流向超級(jí)電容，如圖2。

2 設(shè)備及控制系統(tǒng)組成

本移動(dòng)式港口起重機(jī)由起升機(jī)構(gòu)、變幅機(jī)構(gòu)、回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)和行走機(jī)構(gòu)組成。起升及回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)采用變頻驅(qū)動(dòng)，變幅、行走和轉(zhuǎn)向均采用液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)，發(fā)動(dòng)機(jī)通過(guò)分動(dòng)箱帶動(dòng)發(fā)電機(jī)給起升變頻器及輔助機(jī)構(gòu)提供電源，同時(shí)帶動(dòng)液壓泵給液壓系統(tǒng)提供動(dòng)力源，如圖3。

圖2 超級(jí)電容充電

本MHC起重機(jī)為柴電和岸電雙電源供電系統(tǒng)，當(dāng)切換到岸電時(shí)，傳動(dòng)系統(tǒng)為AFE系統(tǒng)，制動(dòng)能量反饋電網(wǎng)，此時(shí)超級(jí)電容不工作。當(dāng)切換到柴油發(fā)電機(jī)供電系統(tǒng)時(shí)，超級(jí)電容投入使用，提供輔助動(dòng)力及制動(dòng)能量收集，系統(tǒng)配備了制動(dòng)單元及制動(dòng)電阻，在超級(jí)電容故障時(shí)可以使起重機(jī)繼續(xù)工作，制動(dòng)能量以熱能消耗。起重機(jī)控制系統(tǒng)如圖4。

3 超級(jí)電容系統(tǒng)組成

超級(jí)電容系統(tǒng)由超級(jí)電容模塊、DCDC變換器及超級(jí)電容管理系統(tǒng)組成，如圖5。

3.1 超級(jí)電容模塊

圖3 超級(jí)電容布置

超級(jí)電容模塊由若干個(gè)超級(jí)電容器模組通過(guò)串并聯(lián)組成。根據(jù)直流母線電壓等級(jí)及補(bǔ)償功率計(jì)算出超級(jí)電容模塊總?cè)萘俊?/p>

超級(jí)電容模塊一般由多個(gè)超級(jí)電容單體組成，每個(gè)超級(jí)電容單體約為2.85V/3400F，一般由高純度活性炭定制配方加工成碳膜基片，成為超大電容的雙層電極材料，通過(guò)密閉封裝和高性能的電解液，利用干電極技術(shù)生產(chǎn)出免維護(hù)的超級(jí)電容器。

3.2 超級(jí)電容管理系統(tǒng)

圖4 控制系統(tǒng)圖

超級(jí)電容管理系統(tǒng)由控制器模塊CMS、數(shù)據(jù)收集模塊DCS及顯示器HMI組成，超級(jí)電容管理系統(tǒng)主要功能是對(duì)超級(jí)電容數(shù)據(jù)分析、監(jiān)控、DC-DC變換器的導(dǎo)通關(guān)斷以及與起重機(jī)控制系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換等。

均壓控制[1]，由于超級(jí)電容器在制造過(guò)程中存在內(nèi)阻和容量差別，所以在模塊和系統(tǒng)制造過(guò)程中需考慮電壓均衡，超級(jí)電容器儲(chǔ)能系統(tǒng)中每個(gè)模塊的內(nèi)阻和容量匹配，在上述基礎(chǔ)上，每個(gè)超級(jí)電容器單體均包含電壓均衡電路，確保單體及模塊使用時(shí)的一致性。

圖5 超級(jí)電容系統(tǒng)圖

監(jiān)視及報(bào)警，每個(gè)模塊具有有超壓、超溫的報(bào)警輸出，確保超級(jí)電容器系統(tǒng)中任何模塊出現(xiàn)異常時(shí)，能將報(bào)警信號(hào)傳輸?shù)娇刂葡到y(tǒng)。本地運(yùn)行狀態(tài)顯示HMI功能，超級(jí)電容管理系統(tǒng)能夠在本地對(duì)超級(jí)電容系統(tǒng)的各項(xiàng)運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行顯示，如系統(tǒng)狀態(tài)，模擬量信息，報(bào)警和保護(hù)信息等。對(duì)事件及歷史數(shù)據(jù)記錄，并具有高性能、高可靠性、實(shí)時(shí)性的通訊能力，保證龐大數(shù)據(jù)量上傳及指令下發(fā)的準(zhǔn)確性和及時(shí)性。

通信，具備CAN2.0B通信接口。CAN2.0B通信接口用于連接監(jiān)控系統(tǒng)通信，實(shí)現(xiàn)超級(jí)電容器模組、系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)、告警等信息實(shí)時(shí)上傳。超級(jí)電容管理系統(tǒng)與DC-DC控制系統(tǒng)及起重機(jī)控制系統(tǒng)支持CAN總線通訊。CAN總線是德國(guó)BOSCH公司從80年代初為解決現(xiàn)代汽車中眾多的控制與測(cè)試儀器之間的數(shù)據(jù)交換而開(kāi)發(fā)的一種串行數(shù)據(jù)通信協(xié)議，它是一種多主總線，通信介質(zhì)可以是雙絞線、同軸電纜或光導(dǎo)纖維，通信速率可達(dá)1Mbps。

圖6 控制邏輯圖

3.3 DC-DC控制系統(tǒng)

DC-DC控制系統(tǒng)主要是通過(guò)DC-DC變換器控制超級(jí)電容放電到直流母線及從直流母線吸收電能給超級(jí)電容充電，DC-DC控制系統(tǒng)包含DC-DC變換器及邏輯控制器，DC-DC變換器為充電和放電功率器件，控制器為控制邏輯器件，通過(guò)編程控制滿足在一定條件下控制DC-DC變換器進(jìn)行升壓/放電或降壓/充電。

4 功能實(shí)現(xiàn)

根據(jù)起重機(jī)的工作特性，在起重機(jī)起升聯(lián)動(dòng)或發(fā)動(dòng)機(jī)出現(xiàn)短時(shí)過(guò)載時(shí)立即啟動(dòng)超級(jí)電容放電，放電過(guò)程可通過(guò)控制器模擬量值控制DC-DC變換器輸出電流，由于啟動(dòng)階段需要功率較大，DC-DC變換器往直流母線注入電流較大，隨著速度的提升，需要功率降低，補(bǔ)償電流也跟著降低，放電結(jié)束后需滿足超級(jí)電容在允許的電壓降內(nèi)。

圖7 人機(jī)界面

在起重機(jī)單機(jī)構(gòu)動(dòng)作、下降或空閑階段給超級(jí)電容充電，充電過(guò)程控制輸出電流使發(fā)動(dòng)機(jī)不過(guò)載，可以根據(jù)起重機(jī)重量及高度估算下降吸收電能，滿足下降吸收所有制動(dòng)能量，控制邏輯如圖6。

編程軟件，利用Codesys編程工具編制邏輯功能圖及顯示器界面如圖7。超級(jí)電容可以從畫(huà)面直觀的查看超級(jí)電容模塊狀態(tài)、故障、歷史趨勢(shì)、生命周期等信息。

5 超級(jí)電容效益估算

起重機(jī)工作節(jié)約燃油可達(dá)20%，效率提升達(dá)20%。經(jīng)統(tǒng)計(jì)，超級(jí)電容系統(tǒng)每年可減少CO2排放約五萬(wàn)千克，創(chuàng)造價(jià)值近百萬(wàn)元。

6 結(jié)語(yǔ)

超級(jí)電容作為一種清潔能源，可有效減少二氧化碳排放，實(shí)現(xiàn)再生能源循環(huán)利用，為在移動(dòng)式港口起重機(jī)上大規(guī)模應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。