基于鋰離子電容器的輪胎式集裝箱門式起重機能量管理系統設計

吳爾卡 肖 毅 倪松挺 陳 俠

1浙江大學杭州國際科創中心 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 杭州 310027

0 引言

隨著以碳達峰碳中和為目標的現代能源生產、消費體系建設的推進，可再生能源將逐漸成為港口主要能量供應來源，以電能替代石化能源的多種起重設備將在港口大規模覆蓋，對港口供配電系統設計、運行提出了新要求。其中，輪胎式集裝箱門式起重機（以下簡稱RTG）作為港口集裝箱堆場的主力起重裝備，市場占有率超過90%。傳統RTG采用柴油發電機組作為動力，雖然機動性強、轉場靈活，但同時存在運營成本高、噪聲大、環境污染等問題。隨著國際油價上升和綠色港口建設的內在需求，我國具備改造條件的集裝箱碼頭基本因地制宜，結合電纜卷筒、低架滑觸線和高架滑觸線3種不同的供電方式，實施了”油改電”工程，即采用市電取代柴油發電機組為RTG提供動力，稱為電動輪胎式集裝箱門式起重機（以下簡稱E-RTG），極大程度解決了港口節能和環保的問題，但卻喪失了RTG轉場的靈活性[1]。另一方面，RTG起升機構在下降過程中，起升電動機處于再生發電狀態，節能潛力巨大。目前針對勢能回饋節能技術主要有2大方向：1）能量回饋電網技術（AFE），采用基于三相全橋PWM的全控整流技術，將電能回饋至電網供其他設備使用，但對電網會造成有功功率沖擊及諧波污染[2，3]；2）共直流母線儲能技術，大多采用超級電容（EDLC）儲能技術，實現回饋能量的就地儲存及利用，但其能量密度低，價格昂貴，性能及市場表現不理想[4，5]。

得益于儲能技術的不斷發展，鋰離子電容器（LIC）這種新型電化學電容器，綜合了鋰離子電池和超級電容器的特性，具有良好的能量密度、功率密度以及循環性能。本文將采用鋰離子電容器儲能技術，設計面向港口E-RTG的能量管理系統，它集快速有功功率補償、再生能量回收及轉場多功能于一體，為上述港口電力系統及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極材料上可逆的嵌入與脫出反應，以實現能量的儲存與釋放，具有較高的能量密度（150～300 Wh/kg），但因電化學反應速率慢且伴隨正負極材料的物相變化，功率密度較低（＜1 kW/kg），循環壽命并不理想[6]。超級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構來儲存能量。由于離子在電解液和電極表面的遷移速度遠遠大于電化學反應速度，超級電容具有優異的功率（10 kW/kg）和循環（100萬次）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極材料、電容型正極材料及含鋰鹽的有機電解液組成，是一種介于鋰離子電池和超級電容器之間的新型儲能器件[7]。在充電過程中，電解液中的Li+在電勢差的驅動下嵌入電池型負極材料中，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+從電池型負極材料中脫出，同時陰離子從電容型正極材料表面脫附進入電解液。因此，鋰離子電容器引入了正極材料的靜電表面吸/脫附過程以及負極材料的法拉第過程，使其繼承了超級電容的高功率密度和長循環壽命的特點，并兼顧了鋰離子電池的較高能量密度的特點。目前商用鋰離子電容器能量密度、功率密度、循環壽命分別為50 Wh/kg、10 kW/kg、5萬次，特別適用于機械能量回收等秒級和分鐘級應用需求，應用前景廣闊。

2 E-RTG能量管理系統設計與控制策略

2.1 E-RTG負荷特性及功率、能量需求分析

E-RTG起升高度高，速度快，動作頻繁，屬于沖擊性集群負載，其負荷特性包括有功沖擊、無功沖擊、諧波電流與簡諧波電流。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10萬標箱以上。根據某集裝箱碼頭公司E-RTG運行測試數據，對能量管理系統能量與功率需求進行分析，測試集裝箱質量為38 t，起升高度為15.2 m，額定起升速度為23 m/min，測試儀器為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應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個工作過程，對各部分積分可得對應工作過程消耗或回收的能量。結果表明，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橫向布置，線長1 ～2 km，橫貫5～6個堆場，E-RTG可沿滑觸線直線移動，實現同一車道不同堆場的作業覆蓋。當E-RTG需轉場至不同車道時，通常需改由柴油發電機組供電進行轉場，操作繁瑣且不環保；而堆場縱向距離較短，基本小于500 m。E-RTG大車行走功率實時曲線如圖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容量為250 kW/10 kWh，可滿足E-RTG再生能量回收及相鄰2堆場之間（＜500 m）轉場運行的功率與能量需求，同時壽命應滿足年均10萬次以上的放電次數。

2.2 能量管理系統設計

1）能量管理系統整體方案

如圖3所示，E-RTG能量管理系統由鋰離子電容器組、雙向DC-DC變換器、逆變器等構成。系統接入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原電源系統實現能量交互，利用鋰離子電容器高比能、高功率、高循環壽命的特性，實現E-RTG起升時進行有功功率補償、E-RTG下降時實現再生能量回收、作為轉場期間大車和輔助設備的動力電源等功能。

E-RTG能量管理系統有市電和轉場2種工作模式。在市電模式下，E-RTG處于并網狀態，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自起升機構下降過程中再生能量的回收，實現能量的本地回收及利用，可減小沖擊性負荷對電網導致的有功沖擊及諧波電流影響。在轉場模式下，首先控制市電經DC-DC變換器將鋰離子電容器組充電，充滿后脫離市電，此時自動切換至鋰離子電容器組作為電源為大車及輔助設備（油泵、空調、照明等）提供動力。

2）基于MAP圖的電流閉環控制控制

雙向DC-DC變換器根據直流母線電壓控制鋰離子電容器充放電，同時維持直流母線電壓穩定。如圖4所示，雙向DC-DC變換器采用基于MAP圖的電流閉環控制。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圖得到當前狀態下最優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，經過電流PI補償環節和脈沖寬度調制，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，電流基準值MAP圖的輸入為直流母線電壓，通過合理配置Ud1～Ud4電壓點、正向最大電流基準值Icharge、負向最大電流基準值Idischarge，可達到將直流母線電壓穩定在一定電壓范圍內的效果。當直流母線電壓處于Ud2～Ud3時，電流基準值為0，鋰離子電容器不進行充放電；當直流母線電壓小于Ud2時，負向電流基準值隨直流母線電壓的減小線性增大，直至小于Ud1，負向電流基準值穩定在最大值，鋰離子電容器處于放電狀態；同理，當直流母線電壓大于Ud3時，鋰離子電容器處于充電狀態。

電流限幅MAP圖輸入為超級電容電壓，通過合理配置Us1～Us4電壓點，可為鋰離子電容器提供過壓、欠壓保護。當鋰離子電容器電壓處于Us2～Us3時，不對充放電電流進行限制，而當鋰離子電容器電壓大于Us3，或小于Us2時，電流會被逐步限制，直至限幅達100%。

3 E-RTG能量管理系統仿真分析

3.1 仿真模型參數輸入

E-RTG能量管理系統Simulink仿真模型主要包括電源模塊、變頻器模塊、異步電機模塊、能量管理系統模塊及控制模塊等。能量管理系統模塊包括雙向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。鋰離子電容器用簡化RC模型，其參數配置：額定容量為384 F，直流內阻為70 mΩ，工作電壓為390～585 V，可用能量為10 kWh；由24個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，直流內阻為1.8 mΩ，循環壽命＞5 萬次，工作溫度為-25℃～+55℃；24 V/10 000 F模組的直流內阻為2.5 mΩ，電壓為15～24 V，儲存能量為432 Wh；624 V/384 F系統的直流內阻為70 mΩ，工作電壓為390～585 V，可用能量為10 Wh。

基于MAP圖的電流閉環控制的仿真模型如圖6所示。電流環PI參數經調試為KpI＝1， KiI＝100，輸出限幅為0.02～0.98，用來限定占空比范圍。電流基準MAP圖中的節點電壓Ud1、Ud2、Ud3和Ud4設定為420 V、510 V、530 V和620 V，正/負向最大電流基準值電流限幅設定為±500 A。電流限幅MAP圖中的節點電壓Us1、Us2、Us3和 Us4設定為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后，由于鋰離子電容器組有功功率補償的作用，E-RTG作業時市電有功功率需求由166 kW降至86 kW，如圖7a、圖7b所示。根據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E-RTG起升時，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，超級電容電壓逐漸下降；當E-RTG下降時，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，基本可杜絕因出現連續下降工況導致鋰離子電容器組充滿電而使制動電阻動作的情況。

3.3 轉場模式仿真分析

當E-RTG欲進行轉場作業時，首先控制市電經DC-DC變換器給超級電容儲能單元充電至585 V，充滿后脫離市電自動切換至鋰離子電容器組作為動力電源。轉場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，預計可實現E-RTG相鄰2堆場之間小于500 m的轉場運行。

4 結論

1）鋰離子電容器兼顧高比能、高功率及高循環壽命，不僅適用于E-RTG高功率、頻繁的再生能量回收場景，同時也具備一定的能量以滿足E-RTG短距離轉場能量，大幅提高其靈活性；

2）能量管理系統在市電模式時可實現再生能量的就地儲存及利用，E-RTG在一個工作周期內具備快速有功功率補償及再生能量回收能力，同時可減少回饋電能在輸電過程中的損耗，提高節能效率；轉場模式時，可實現E-RTG相鄰兩堆場之間小于500 m的轉場運行，使E-RTG徹底實現零排放；

3）根據設備選型及市場調研，能量管理系統一次投資約40萬元，整體質量小于2 t，具備商業化價值，可為E-RTG改造起到示范與借鑒作用。