三種典型混合動力RTG的比較分析

黃婷，徐磊，黃細霞，牛王強

(1.上海海事大學，上海201306；2.上海振華重工(集團)股份有限公司，上海200125)

三種典型混合動力RTG的比較分析

黃婷1，徐磊2，黃細霞1，牛王強1

(1.上海海事大學，上海201306；2.上海振華重工(集團)股份有限公司，上海200125)

隨著超級電容和鋰電池等儲能系統的發展，使混合動力RTG節能減排技術成為可能。分析了RTG系統的功率需求。從系統技術原理、動力參數和效益等方面，對超級電容和鋰電池作為輔助動力源和以大容量鋰電池作為主動力源的三種混合動力RTG方案進行了對比分析。表明了采用大容量鋰電池作為RTG的供電電源，能夠將回饋的勢能充分回收利用，小功率柴油機作為鋰電池的充電電源，無需連續工作，使系統綜合性能最優，具有一定的新穎性和很好的發展前景。

混合動力RTG；超級電容；鋰電池；節能減排

隨著全球燃油價格飛漲及對節能減排要求的不斷提高，柴油驅動的RTG進行改造勢在必行。電力驅動RTG技術的發展解決了在節能和環保方面的問題，但仍存在初期投資較大、堆場要求規則、碼頭電力要求充裕，且喪失了RTG轉場的靈活性的最大優勢。

混合動力技術的出現為傳統RTG的改造提供了一種新的選擇。應用混合動力技術只需對設備本身進行改造，就可達到節能減排的目的，而且最大程度地保留了RTG轉場靈活的優點[1]。目前集裝箱行業，主要采用以下三種混合動力RTG節能改造方案：(1)超級電容混合動力RTG；(2)小容量鋰電池混合動力RTG；(3)大容量鋰電池的混合動力RTG。為了方便混合動力系統的分析和設計，本文分析了RTG系統的功率需求。而且，從系統技術原理、動力參數和效益等方面，對超級電容和鋰電池作為輔助動力源和以大功率鋰電池作為主動力源的三種混合動力RTG方案進行了對比分析。在滿足基本需求時，大功率鋰電池混合動力RTG，進一步優化了設備的選型，降低了RTG對燃油消耗和依賴，減少了大功率柴油機對環境的污染，使系統綜合性能達到最優，對于大量使用RTG的集裝箱碼頭具有重要意義。

1 RTG功率需求分析

對于混合動力RTG系統，如何選擇柴油發電機組的容量和儲能元件及容量已成為節能降耗和降低成本的關鍵。而混合動力RTG的功率需求對系統的選型和計算至關重要。選用RTG主要性能參數如表1所示。

(1)RTG最大功率需求計算

起升滿載時速度：

起升滿載勻速上升時負載：

起升加速時負載：

大車行走所需功率：

小車行走所需功率：

一般來講，起升和大車不會同時運行。而且，根據電源側到負載側的能量傳遞效率為59%～86%[2]，取其平均值h=73%，得到電源側最大的供電功率：

(2)回饋能量的計算

吊箱后最大行程：

根據電源側到負載側的能量傳遞效率為63%～74%[2]，取回饋時能量傳輸的效率為h=70%，得到可回收滿箱重力勢能：

RTG最大回饋功率需求：

起升變頻器典型功率如圖1所示，最大輸出功率為211 kW，最大回饋功率為140 kW；從圖1中可知，實測數據與起升機構的功率需求理論計算基本吻合。

圖1 典型起升變頻器功率曲線

2 三種典型混合動力RTG比較分析

2.1 超級電容混合動力RTG

2.1.1 超級電容混合動力RTG技術原理

與常規RTG相比，上海港基于超級電容混合動力RTG增加了一套超級電容裝置和雙向DC/DC控制單元。其結構框圖如圖2所示。其中，超級電容用于功率補償和能量儲存，減小柴油發電機組的功率到225 kW。雙向DC/DC變換器控制能量的雙向流動并提高超級電容的有效儲能。超級電容的能量與電壓差有關，如果它直接并到直流母線上，電壓變化范圍比較窄，放電深度淺，超級電容的有效儲能低。

圖2 RTG超級電容混合供電的電路結構圖

2.1.2 超級電容混合動力RTG動力系統主要參數

超級電容組主要用于重物下放時的能量的回收，根據其選型的依據[3－6]得到：

(1)根據制動時功率約束，得到Pc=UcIc≥mgv h=151 kW，取超級電容器的功率大小為160 kW。又因為雙向DC/DC變換器的額定工作電流Icmax=500 A，所以有Ucmin=320 V。

(2)根據能量平衡約束，得到電容容量C≥2mgh h/(Ucmax2－Ucmin2)。分析上式可看出電容最大電壓和電容大小成反比，而且Ucmax越大，電容的利用率越高，成本越低，所以柴油發電機組電壓取440 V，母線電壓變化范圍為590～630 V，此處取Ucmax=600 V，最終得到C=42 F。

因此，超級電容主要參數：160 kW，42 F，600 V(600 V～320 V)；考慮一定的裕量，雙向DC/DC變換器功率取為200 kW；根據供電電源的最大功率為363 kW，得到柴油發電機組配置為225 kW，440 V。

2.1.3 超級電容混合動力RTG效益評估

對上海港已投入應用的超級電容混合動力RTG與常規RTG進行能耗對比測試。測試結果表明，超級電容混合動力供電RTG能夠節省約30%左右的燃油，取得較好的節能效果。而且隨著柴油機的容量的減小，經現場測試柴油發電機工作噪聲從95dB減小到72bB，噪聲明顯下降，同時尾氣排放也減少40%[7]。

超容混合動力系統增加的設備為超級電容組、225 kW的柴油發電機組和雙向DC/DC變換器。其中超級電容組25萬元，225 kW的柴油發電機組13萬元，雙向DC/DC變換器25萬元，考慮電控裝置及20%的工本費，工程改造總投資合計85萬元。

其節油效果可達30%，按照每臺常規RTG一年操作12萬集裝箱，每箱平均油耗按0.87 L計，一年每臺節輪胎吊節省燃油約3.2萬升，按每升燃油7.4元計，一年每臺節能輪胎吊節省燃油費用約32 000×7.4=24萬元，經濟效益明顯。投資回收期為3.5年，與常規RTG相比，經濟收益有所提高。

2.2 小容量鋰電的混合動力RTG

2.2.1 小容量鋰電混合動力RTG技術原理

相對于超級電容系統，日本住友的小容量鋰電混合動力RTG，輔助電源用可提供更大功率的鋰電池組代替超級電容組，柴油發電機組降低到130 kW，其他結構不變。相對于超級電容，鋰電池具有儲存容量大、放電電流穩定、無污染及安全性能好等優點。充電放電控制器(DC/DC變換器)，他控制著能量儲蓄單元的充電和放電。它可以根據起升電機所需要能量，自動調節能量儲蓄單元的輸出功率，柴油發電機組只需負擔小部分負載電流，所以即使處于最大負載時，發電機組的輸出功率仍可保持一定，這樣就可以大幅減小柴油機的功率。其系統結構如圖3所示。

2.2.2 小容量鋰電混合動力RTG動力系統主要參數

日本住友的混合動力，為了在切斷電源裝置或電源裝置故障時，能將額定負載吊至起升上限并且能夠安全回到維修廠，柴油發電機組的最小功率為130 kW。為了滿足峰值功率需求，兩者之和大于等于最大需求功率，選定鋰電池的功率為250 kW左右。采用20個(28.8 V/30 Ah)LIM 30H.8S電池模塊串聯，得到(480 V/30 Ah，15 kWh)的電池組，如果以20 C放電，電池電流為600 A，能夠滿足峰值功率需求。考慮一定余量DC/DC變換器功率等級取為300 kW。

圖3 日本住友混合動力RTG系統結構

小容量鋰電池主要也是吸收負載下放的能量，鋰電池儲能：E=15 kWh=54×106J可快速吸收一次重物下降所回饋的能量。

2.2.3 小容量鋰電混合動力RTG效益評估

同超級電容系統的測試方法，對搭載了鋰電池混合動力的RTG進行測試，平均燃料節省率在58%左右。柴油發電機組的進一步減小，系統廢氣排放量較超級電容系統進一步減少[1]。

小容量鋰電池混合動力系統增加的設備為鋰電池組、130 kW的柴油發電機組和雙向DC/DC變換器。其中鋰電池組20萬元，130 kW的柴油發電機組9萬元，雙向DC/DC變換器35萬元，考慮電控裝置及工本費，工程改造總投資合計90萬元。

其節油效果可達60%，按照超級電容混合動力系統的標準進行計算，一年每臺節能輪胎吊節省燃油費用約63 000× 7.4=47萬元，經濟效益明顯。投資回收期為1.9年，相對于上海港的超級電容混合動力RTG系統，具有更可觀的經濟收益。

2.3 大容量鋰電的混合動力RTG

2.3.1 大容量鋰電混合動力RTG技術原理

相對于住友鋰電的混合動力系統，混合電源系統以大容量鋰電池組作為主動力源。因為大容量鋰電池的電壓充放電過程中基本穩定，電壓和功率等級完全滿足并網的需求，直接給變頻驅動系統提供工作電源。進一步將柴油發電機組的功率優化降低到50 kW。其系統組成如圖4所示。正常運行狀態下，小功率柴電機組不工作，直接由動力電池驅動RTG。當電池電量降低至一定范圍(50%)，鋰電池的充電電源為50 kW柴油發電機組或外部電源，與此同時勢能也可回饋至鋰電池組。即滿足機構運行的峰值功率需求和穩態運行的功率需求，又能充分吸收設備的勢能回饋[8]。

2.3.2 大容量鋰電混合動力RTG動力系統主要參數

(1)動力離子鋰電池

傳統RTG負荷低于20%的運轉時間達75%～80%，其平均功率僅有60～80 kW[9]。動力電池作為主電源，其容量能夠滿足RTG連續運行2 h的用電量，因此鋰電池的配置容量約120～160 kWh。

圖4 鋰電池RTG動力系統組成框圖

400 V主動力源驅動器的母線工作電壓為510～740 V[10]，為了在母排電壓承受范圍內，與母線并聯的鋰電池電壓范圍510～740 V，額定電壓在650 V左右。因此，為了滿足RTG鋰電池電壓以及容量，對額定容量50 Ah，額定電壓3.2 V(充放電截止電壓3.6 V/2.5 V)的單體電池進行4串4并組成12.8 V/200 Ah的電池模塊，50個電池模塊串聯成為640 V/200 Ah(500～720 V)的電池組。

(2)柴油發電機組

選取50 kW，輸出電壓440 V，電流90 A的柴油發電機組。輔助柴電機組主要滿足對動力電池補充電能的要求，為了進一步優化，選用50 kW柴油發電機組[9]，其可覆蓋平均功率，基本能滿足使用。柴油發電機組輸出電壓400 V/440 V，考慮到充電電壓應該比電池電壓稍高，所以柴電機組額定電壓選用440 V。其母線直流電壓為：

(3)鋰電池實驗測試

鋰電池的最大充放電電流：

滿載情況下，僅起升電機工作，鋰電的最大供電功率：

RTG最大放電電流需求：

混合動力階段，存在柴電機組與回饋能量同時充電的狀態，此時RTG最大充電電流：

電池電流典型需求情況如圖5所示，最大放電約為430 A，最大充電電流約為300 A，與理論計算基本吻合。RTG最大充電電流需求為314A，鋰電池允許恒流充電電流為2C (400 A)，完全滿足RTG回收能量需求。RTG最大放電電流需求為464 A，鋰電池允許持續放電電流為4 C(800 A)，滿足最大功率所需放電電流。

鋰電池端電壓變化：

電池電壓典型需求情況如圖6所示。經實驗數據得到，在1 C的充電電流內，單體電壓穩定在3.2～3.4 V左右，在2C的放電電流內，單體電壓穩定在3.1～3.4 V左右，則最大充電電流為314A，最大放電電流為464 A時的電壓數據理論值與實驗數據基本吻合。

圖5 RTG鋰電池典型工況電流波形

圖6 RTG鋰電池典型工況電壓波形

2.3.3 大容量鋰電混合動力RTG效益評估

同上述兩種方案測量方法相同，可計算得到上海港大功率鋰電池混合動力RTG系統測試各工況的總油耗為60.81 L，換算后各工況的總耗電量為57.54 kWh。以此得出柴電機組的油電轉換率為3.47 kWh/L，本次測試的總電能換算成油耗為16.58 L通過改造前后兩次相同典型工況下的油耗和電耗測試數據，可得出平均節油率為72.7%。50 kW的柴油發電機組用的比較少，廢氣排放量很少，幾乎為零。其節能減排效果比上兩種方案都要好[11]。

大功率鋰電池混合動力系統增加的設備為鋰電池組、50 kW的柴油發電機組。其中鋰電池組80萬元，50 kW的柴油發電機組5萬元，電控設備以及20%工本費用，工程改造總投資合計120萬元。

其平均節油效果可達73%，按照每臺常規RTG一年操作12萬集裝箱，每箱平均油耗按0.87 L計，一年每臺節能輪胎吊節省燃油約7.6萬升，按每升燃油7.4元計，一年每臺節能輪胎吊能節省燃油費用約76 000×7.4=56萬元，相比前兩種經濟效益更明顯。投資回收期為2.2年，而鋰電池的壽命為5年，并且隨著鋰電池技術的成熟，鋰電池的成本會下降，具有很好的經濟收益和前景[8]。

2.4 方案的選擇

三種方案的綜合性能的比較見表2所示。方案1和方案2以超級電容和鋰電池作為輔助動力源的混合動力RTG，它們并未擺脫傳統RTG，以柴油發電機組為動力供給的框架，只是將柴油發電機組從440 kW減小到225 kW或130 kW，并以鋰電池或超級電容，作為輔助供電和勢能回收裝置，節能效果未達最大化。方案2和方案3在投資回報期相近的條件下，方案3在滿足系統性能的條件下，與方案2相比較，進一步優化了柴油發電機組和鋰電池組選型，使控制策略更加簡單，節能減排效果更好，因此大功率鋰電池混合動力RTG是最佳的方案選擇。而且隨著鋰電池的發展，鋰電池的性能不斷提高，成本不斷降低，基于鋰電池的混合動力RTG存在良好的發展前景。

3 總結與展望

隨著新能源及鋰電池的開發，混合動力RTG有很大的應用前景。為了進一步優化系統，可以考慮天然氣、太陽能等新能源，如鋰電池-LNG混合動力RTG；也可以開發鋰電池新技術。比如一種新儲能設備又稱石墨烯表面鋰離子交換電池，其功率密度比商業鋰電池高100倍，比超級電容高10倍，很短時間充電；儲能密度也高，與鋰電池相當，比超級電容高10倍，存儲能量多。鋰離子新技術對混合動力RTG開發也至關重要，基于混合動力RTG有很好的應用前景。

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Comparativeanalysisof three typicalhybrid RTGs

HUANG Ting1，XU Lei2，HUANG Xi-xia1，NIUWang-qiang1
(1.ShanghaiMaritime University，Shanghai201306，China; 2.ShanghaiZhenhua Heavy Industries(group)Co.，Ltd，Shanghai200125，China)

W ith the development of supercapacitors，lithium batteries and other energy storage system s，the hybrid RTG energy saving technology becomes possible.The power demand of conventional RTG system was analyzed. The hybrid RTG schemes using super capacitor and lithium battery as auxiliary power source and high power lithium battery as themain source were compared from technical principle，dynam ic parameters and system efficiency.It shows that the large capacity lithium battery was used as power supply of RTG to feedback the potential energy of fully recycling;the low power diesel engine as lithium battery charging power supply doesn't need to work continuously，making the system have the best com prehensive performance and certain novelty and good prospects.

hybrid RTG;supercapacitor;lithium battery;energy-saving and em ission reduction

TM 912

A

1002-087X(2016)07-1399-04

2015-12-03

國家自然科學基金(51209134)；上海市科委科技創新行動計劃項目(13dz1202800)

黃婷(1990—)，女，河北省人，碩士生，主要研究方向為混合動力輪胎式起重機技術。