超級電容在移動式港口起重機上的系統(tǒng)設(shè)計方法

彭光玉 曹永新

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

0 引言

移動式港口起重機(簡稱MHC)通常采用柴油發(fā)電機組作為動力源，在裝卸作業(yè)過程中，需要多個機構(gòu)同時工作來提高效率，短時需要足夠的瞬時功率，此時發(fā)動機處于過載狀態(tài)，導(dǎo)致轉(zhuǎn)速下降，并伴隨黑煙產(chǎn)生，電壓降低，及降速運行影響了起重機裝卸效率，在這種情況下增加超級電容系統(tǒng)能很好解決這個問題，基于超級電容本身具有快速充放電的特點，驅(qū)動負載時可以快速提供大電流彌補系統(tǒng)動力不足，在下降及制動過程利用超級電容吸收多余電能，為下一個工作循環(huán)提供動力，因此節(jié)約了燃油，提升了工作效率。

1 工作原理

圖1 超級電容放電

起重機提升重物時電動機工作在第一象限，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時，電動機工作在第四象限，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電容，如圖2。

2 設(shè)備及控制系統(tǒng)組成

本移動式港口起重機由起升機構(gòu)、變幅機構(gòu)、回轉(zhuǎn)機構(gòu)和行走機構(gòu)組成。起升及回轉(zhuǎn)機構(gòu)采用變頻驅(qū)動，變幅、行走和轉(zhuǎn)向均采用液壓馬達驅(qū)動，發(fā)動機通過分動箱帶動發(fā)電機給起升變頻器及輔助機構(gòu)提供電源，同時帶動液壓泵給液壓系統(tǒng)提供動力源，如圖3。

圖2 超級電容充電

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

3 超級電容系統(tǒng)組成

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

3.1 超級電容模塊

圖3 超級電容布置

超級電容模塊由若干個超級電容器模組通過串并聯(lián)組成。根據(jù)直流母線電壓等級及補償功率計算出超級電容模塊總?cè)萘俊?/p>

超級電容模塊一般由多個超級電容單體組成，每個超級電容單體約為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)出免維護的超級電容器。

3.2 超級電容管理系統(tǒng)

圖4 控制系統(tǒng)圖

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

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

圖5 超級電容系統(tǒng)圖

監(jiān)視及報警，每個模塊具有有超壓、超溫的報警輸出，確保超級電容器系統(tǒng)中任何模塊出現(xiàn)異常時，能將報警信號傳輸?shù)娇刂葡到y(tǒng)。本地運行狀態(tài)顯示HMI功能，超級電容管理系統(tǒng)能夠在本地對超級電容系統(tǒng)的各項運行狀態(tài)進行顯示，如系統(tǒng)狀態(tài)，模擬量信息，報警和保護信息等。對事件及歷史數(shù)據(jù)記錄，并具有高性能、高可靠性、實時性的通訊能力，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，實現(xiàn)超級電容器模組、系統(tǒng)運行狀態(tài)、告警等信息實時上傳。超級電容管理系統(tǒng)與DC-DC控制系統(tǒng)及起重機控制系統(tǒng)支持CAN總線通訊。CAN總線是德國BOSCH公司從80年代初為解決現(xiàn)代汽車中眾多的控制與測試儀器之間的數(shù)據(jù)交換而開發(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DC-DC變換器控制超級電容放電到直流母線及從直流母線吸收電能給超級電容充電，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，通過編程控制滿足在一定條件下控制DC-DC變換器進行升壓/放電或降壓/充電。

4 功能實現(xiàn)

根據(jù)起重機的工作特性，在起重機起升聯(lián)動或發(fā)動機出現(xiàn)短時過載時立即啟動超級電容放電，放電過程可通過控制器模擬量值控制DC-DC變換器輸出電流，由于啟動階段需要功率較大，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，補償電流也跟著降低，放電結(jié)束后需滿足超級電容在允許的電壓降內(nèi)。

圖7 人機界面

在起重機單機構(gòu)動作、下降或空閑階段給超級電容充電，充電過程控制輸出電流使發(fā)動機不過載，可以根據(jù)起重機重量及高度估算下降吸收電能，滿足下降吸收所有制動能量，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。超級電容可以從畫面直觀的查看超級電容模塊狀態(tài)、故障、歷史趨勢、生命周期等信息。

5 超級電容效益估算

起重機工作節(jié)約燃油可達20%，效率提升達20%。經(jīng)統(tǒng)計，超級電容系統(tǒng)每年可減少CO2排放約五萬千克，創(chuàng)造價值近百萬元。

6 結(jié)語

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