輪胎式集裝箱龍門起重機綠色能源智能存儲

王 成

上海振華重工（集團）股份有限公司 上海 200125

0 引言

輪胎式集裝箱龍門起重機(簡稱RTG)作為集裝箱堆場上廣泛應用的專業化作業設備，依靠大功率柴油發動機作為動力源運行的弊端已多數通過油改電的改造得到解決，但改造后的起重機在轉場作業時仍存在諸多的能源供應問題[1]。油改電后的RTG需要新增設能量反饋裝置才可以將重載下降時的能量回收[2]，因成本原因沒有大面積實施，而以小功率柴油發電機和動力電池組成的可插電串聯增程式動力源可徹底解決這些關鍵問題。選定動力電池組的功率、能量參數后，動力電池組的充放電控制策略是增程式動力源壽命長、運行穩定的關鍵。

1 串聯增程式動力源的結構和工作原理

1)動力電池(能量存儲單元)作為整機電能的供給源，通過小功率的柴油發動機采用時間累積能量的方法進行儲能。為起升機構等提供短時大功率能量，為輔助設備提供長時間小功率的能量。平時小功率柴油發電機組以可控的小電流對儲能單元進行充電儲能。當起升機構電動做功時，能量從儲能單元集中輸出，滿足起升機構加速運行時的峰值功率和勻速運行時的穩定功率需求。起重機運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自市電電網、小功率柴油機、起重機重載勢能下降時轉換回收的電能三個部分。由于動力電池的性能不斷改善，可滿足大功率充放電，可將勢能下降制動轉換的電能全部回收，并在起重機起升做功時快速釋放電能；同時摒棄了大功率柴油機工作外特性導致的直接能源浪費，以實現起重機節能的目的。

基于以上增程式動力源的結構以及節能原理的描述，電池組作為該形式動力源的核心，其容量和功率的選擇是系統安全、平穩、可靠運行的關鍵，小功率柴油機運行時只依據電池組的充放電狀態而無需考慮起重機作業時總的能量、功率需求，可工作在最佳能效工作區域對能量存儲單元進行充電，大幅度降低了起重機的能源消耗量，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LNG、氫燃料電池還可繼續替換掉小功率柴油機，進一步提高節能降耗的效果。由于電池組具備大功率充放電的特性，可將重載勢能快速下降時產生的短時大功率電能直接快速吸收，則可取消傳統RTG上連接在變頻器直流母線上的制動單元和制動電阻，進而優化能量系統的結構，降低能源系統購置成本的同時提高系統的可靠性。在起升機構下降的過程中，所有產生的電能都將回饋動力電池組，再生能源的利用將深度影響節能降耗的效果。由于動力電池組是多輸入、多輸出的工作原理，因此對其能量的存儲策略將對電池組的壽命和系統工作性能產生重要影響[3]。

圖1 串聯增程式動力源起重機動力結構圖

2 動力電池組智能控制的解決方案

可插電串聯增程式動力源的結構由能量產生單元、能量存儲單元、能量消耗單元組成。要發揮出動力源的極致性能，需要建立從穩態工況下的燃油經濟性單一目標優化到考慮各種瞬態工況和非線性、時變作業工藝下，對各個部件性能影響的燃油經濟性、排放和各能量單元之間協調控制平穩性、魯棒性都有較高要求的電池組充放電控制的策略。

可插電串聯增程式動力源的核心是動力電池，動力電池的充電來源如前文所述的三種途徑，動力電池充放電的控制策略不同會使小功率柴油發電機的投入工作機制產生不同，對勢能的回收也會產生差異，同時需要考慮頻繁深度充放電對電池性能產生的不利影響。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電機的投入機制只與動力電池組的荷電狀態(SOC值)直接聯系，當SOC值低于動力電池組設定的最高值時，發電機以最佳工作點投入運行，對電池組進行充電，直至SOC值達到最高設定值時即停止工作。功率跟隨式在恒溫器式基礎上又考慮了起重機作業功率的大小，當所需功率較大且SOC值也已經到達最高值時，小功率柴油發電機依然會投入運行對電池組進行充電，以彌補作業所需的大功率對電池組SOC值快速下降導致的電池深度充放電的影響。RTG在長時間進行裝船作業時，以帶載下降作業工況居多，通常采用恒溫器式的控制策略，留出更多的電池能量存儲空間，以吸收反饋的勢能；而當起重機長時間進行卸船作業時，以帶載起升作業工況居多，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動力電池充電來源于中小功率柴油發電機供電和市電取點，都屬于消耗型供電，而吸收勢能則屬于回收型供電，因此在考慮動力電池組充放電控制策略時，可將消耗型供電進行統一考慮。

3 基于模糊控制的動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簡單經驗編制難以精確定量表達的規則，不需要建立復雜的模型，以便接近實際狀態和考慮各種不同影響因素（電池組的荷電狀態、作業功率的需求以及發電機的工作狀態等），因此常被用來進行實際的工業控制，體現出較強的控制魯棒性，適合于RTG非線性、時變性強的工作機制。

本文在考慮綠色可插電串聯增程式新動力源RTG能源系統的智能模糊控制策略模型時，以RTG運行所需功率Qr、超級動力電池組的當前荷電狀態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電機對電池組的充電功率Pin定義為模糊控制模型的輸出變量。

根據典型的RTG各機構電機額定功率及輔助用電設備的額定功率運行組合，將Qr論域表達為Z={-110，-80，-30，50，120，160，190，220，250}，論域中的數字表示起重機運行所需功率，負數值表示勢能下降時可回收再生能量的功率，正數值表示起重機運行所需功率；根據動力電池不同的充放電外特性及深充深放對電池組壽命的影響，將μsoc論域表達為Z={2，3，4，5，6，7，8，9，10}，其中各數字分別表示動力電池組荷電狀態(SOC值)為[0.2,1]之間的狀態；根據消耗型供電來源的輸出功率，將Pin的論域表達為Z=[0，1，2，3，4，5，6，7，8]，數字0代表不對電池組充電，數字1～8為以10 kW為間隔的充電功率。

經過模糊控制反模糊化運算后，可將控制策略進行列表以供RTG控制程序進行查詢，作為小功率發動機調速系統的控制輸入，如表1所示。同時模糊控制規則也方便工程技術人員根據起重機不同的作業工況、碼頭實際作業習慣、工藝要求進行人為干預。

表1 小功率柴油發電機智能充電功率控制查詢表 kW

4 結語

由表1可知，當動力電池組的荷電狀態小于0.5時，無論起重機運行所需多少功率，消耗型能量輸入都將以恒溫器方式用較大的功率對電池組進行充電，迅速提高電池組的荷電狀態，減少深度放電對電池組循環壽命的影響，控制策略的魯棒性較好。當動力電池組的荷電狀態在0.6～0.8時，消耗型能量輸入將以功率跟隨方式動態調整充電功率，即可為回收型能量的輸入留出足夠的空間，又能避免電池組進入深放區間，綜合考慮到該類型能量源起重機的節能效果和電池組的循環壽命，控制策略的靈敏度較好。