摘要：原轮胎吊的动力由安装在设备本体的柴油发电机组提供，其功率为400kW。由于发电机组大部分时间处于空载或轻载运行，其做功效率较低；负载从高处到低处产生的势能通过制动电阻消耗，浪费了大量能量。一台这样的轮胎吊，按年作业量10万TEU计算，年耗油约103立方米，按5.97元/升计算，年燃油费约61.5万元，并产生了大量的大气污染物。在保持轮胎吊原有各项功能的情况下，利用发电机组+锂电池形式对原有供电系统进行改造，使龙门吊在混合动力状态下具备正常工作的功能，满足满载的情况下同时起动起升机构和小车机构以最高加速度加速至全速运行，实现龙门吊全天候作业，并通过回馈能量储放、发电机组控制等方式有效降低能耗，在同等测试工况下对比原有柴油机组达到50%以上节油效果。
关键词：轮胎吊；柴油发动机；锂电池；节油效果
引言
伴随着以石油为代表的化石能源日益短缺，国际油价持续快速上涨，给各大集装箱码头的运营成本带来了巨大压力。常规的轮胎吊是以柴油发电机组为动力，其能量转化效率低、成本高、能耗大。同时轮胎吊在作业时排放的废气黑烟和柴油机运转时产生的巨大噪音与国家环保局规定的要求有一定距离。如何在保持原有轮胎吊的机动性前提下，实现节能降耗，正式发电机组+锂电池为动力轮胎吊能解决的问题。
1．电气系统设计概况
1.1混合动力系统框架
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图1 混合动力系统框图
1.2系统硬件结构
（1）柴油发电机组
将大功率柴油发电机组改成小功率机组，为锂电池储能单元充电。选用80KW，400V 小型柴油发电机组。当电池组发生故障时可切换至柴油机组直接供电，柴油机组直接供电满足大车机构、小车机构和起升机构的慢速运行和空调、照明、通讯供电等的正常要求。
（2）可控整流单元模块
原RTG使用的西门子二极管整流单元，改为可控整流单元模块。具有整流、限流、升压和稳压的作用，把柴油发动机组输出的400V交流电整流成所需的直流电，升压并稳定到所需的电压，同时可以防止在起升重载上升发电机组过载熄火。限制电流可使发电机组始终工作在最佳效率点。提高柴油发电机组发电效率。
（3）DC/DC变换器：
双向架构，维持并稳定直流母线电压，限制充、放电电流，保护电池过充、过放电，保护电池，延长电池寿命，拓展系统灵活性。
原来龙门吊在起升下降时产生的能量只能通过制动电阻消耗，使用DC/DC变换器后，上升的电压通过IGBT斩波方式变为额定电压的直流电存储在电池系统中。
双向传输DC/DC变换器作为连通变频器母线与动力电池的桥梁，是该系统的关键组件，就动力电池而言，该组件控制动力电池对变频器母线的放电和变频器母线对动力电池的充电，以使得动力系统工作于动力电池的安全供放电的范围内，就变频器母线而言，该组件要快速的响应母线电压的变化，以提供或者吸收变频器的母线电能，以使变频器工作在正常供电状态。同时采用软件算法，使得瞬间大能量积聚在可控范围内泄放，也由该部分完成。
通过恒压-恒流（CC-CV）充电方式，结合电池的过充，过放限流保护。实现动力电池充电、放电电流可控。
具备完善的电池过压，欠压；过充，过放。防止瞬间大电流等因素对储能载体的冲击，延长电池使用寿命。并且具备双向宽幅电压输入，输出。使得系统应用在更广泛的电压平台使用。电池侧电压范围：380～600VDC；电池过充、过放电电压值和电池过电压、欠电压值可调整；电池充、放电电流可设定。
母线侧电压范围宽并可设定：500～720VDC；母线电压控制精度高：±10V，电流波动小：±5%；过载能力强：1分钟120%，5秒钟150%。母线电压、输出电流检测精度高：过压点的±1%和额定电流的±3%。
具备双向升压、降压功能。使得电池电压的选型，匹配更宽泛。使得母线电压稳定，延长变频器电容的使用寿命。
操作方便、键盘显示和设定，具备黑匣子功能，永久可靠的记录数据功能。方便故障查询和处理。
（4）电池储能单元：
采用超级动力磷酸铁锂电池，提供整机动力电源，吸收起升下降时产生能量。当电池管理系统检测到电池电量低时，PLC启动整流单元与柴油发电机组，对电池储能单元进行充电。电池储能单元选用法国原装进口SAFT超级动力磷酸铁锂电池，电池储能单元由508V，30AH标准电池组并联组成，本项目选用4套标准组并联成508V，120AH电池储能单元。电池组单体模块组成：7节电芯串联，再并联，共14节电芯。
（5）电池组智能管理系统
该系统具有监测功能、报警保护功能、通讯功能、自诊断功能、SOC标定功能、均衡功能、热管理功能等。
监测功能：实时监测每个电池组的电压及最高温度及最低温度；实时监测电池系统的总电压、BMM连接个数、充电电流、放电电流、绝缘状态；采样频率高，能快速跟踪电流变化、并判断绝缘等级是否满足系统运行要求；
报警保护功能：过压报警保护、欠压报警保护、过流报警保护、过温报警保护、绝缘电阻低报警保护。
通讯功能：可通过CAN_OPEN总线接口与PLC进行通讯，接收和发送电池系统的信息。若在规定时间内无响应信息反馈至BMS，则BMS自行控制故障电池组退出运行。
自诊断功能：电池管理系统能够进行自诊断功能，对电池管理系统与外界通信中断，电池管理系统内部通信异常，模拟量采集异常等故障进行自诊断，并能够上报到就地监测单元。
SOC标定功能：BMS 能够对SOC 进行预估，并能在SOC 算法中加入电池组自放电、温度与容量关系等外界因素。并在充电过程结束时根据电池系统状态进行SOC 标定。
均衡功能：BMS 采用自动均衡方式实现电池的均衡，BMS根据电池组状态信息，控制对应的开关动作，对电压较高的电池放电，使同一电池组内电池的电压趋于平衡，改善电池的一致性。
热管理功能：电池管理单元通过测量每个电池框内多个点的温度分布情况与各个框之间的温度差异，来控制风扇的启动、关闭与转速。采用主动强制风冷的冷却方式，确保大倍率工况下电池工作在合适的温度范围内。
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图2 电池管理系统
（5）DC/AC逆变器：
DC/AC逆变器将直流电逆变成3相交流电，以便给PLC控制系统、照明系统、380V辅助电源等进行供电，需要将不同等级的直流电压变换为稳定的交流电。
2.混合动力控制系统简述
（1）混合动力系统控制电源取RTG控制系统控制电源，混合动力系统配置合适容量UPS，由UPS供混合动力系统PLC电源、智能电池管理系统（BMS）电源、AC/DC整流器控制电源、DC/DC变换器控制电源和辅助电源逆变器控制电源。
（2）混合动力系统PLC通过CAN总线与智能电池管理系统（简称为BMS）通信、读取BMS数据。同时通过检测BMS的触点输出信号（故障、电池电量低、电池电量高等），控制柴油发电机组的运行、停止。
（3）混合动力系统PLC检测柴油发电机组状态（故障、油位、油温和运行等），AC/DC整流器状态（故障、运行），DC/DC逆变器以及辅助电源逆变器状态。同时控制柴油发电机组、AC/DC整流器、DC/DC逆变器和辅助电源逆变器运行。
（4）混合动力系统PLC通过RS485或I/O输入、输出信号与RTG电气控制系统PLC通讯。发送混合动力系统FAULT、RUNNING等状态给RTG电气控制系统PLC、允许或禁止RTG运行。当RTG电气控制系统PLC收到混合动力系统故障时，RTG立即停车，紧急制动。
（5）混合动力系统正常运行中，当混合动力系统PLC接收到BMS发来的电池电量低信号后，立即起动柴油发电机组运行，收到柴油发电机组正常运行信号后、起动AC/DC整流器运行、DC/DC变换器开始对电池组充电；当接收到BMS发来的电池电量高信号后、停止AC/DC整流器和柴油发电机组工作。在整个混合动力系统正常运行过程中，DC/DC变换器和辅助电源逆变器一直工作。当停止混合动力系统时，柴油发电机组、AC/DC整流器、DC/DC变换器和辅助电源逆变器都停止工作，降低能量消耗。
（6）在RTG司机室联动台上设有混合动力系统故障、运行指示灯和混合动力系统运行/停止钥匙选择开关。
3．节能效益
3.1电池续航能力测试
停止柴油发电机组，仅由电池系统供电，测试20吨水箱。测试循环路径见图3-1
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图3测试循环路径
开始空吊具在起升上停止点A位额定速度下降到地面上的集装箱上D点位，旋锁锁紧集装箱，由D点额定速度上升到起升上停止位A位，小车全速前行至电池房侧前行停止位B，然后起升额定速度下降到地面C位，旋锁松开集装箱，空吊具额定速度上升至B位。这个过程为完成1次吊装集装箱。如此循环。统计作业次数。
先用柴油发电机组把电池充满电，开始吊箱测试，待电池电量SOC低于40%左右时，停止作业，统计操作次数，再启动柴油发电机组把电池充满。通过测试得出电量从92%到40%，共计19次循坏。电池系统一次充满电，大约可以做19个箱子。
3.2油耗综合测试
按实际操作工况作业，记录柴油发电机启停次数，发电功率，时间；与纯油车做横向对比油耗情况。
在五、六月份对混动动力系统改造后的龙门吊进行跟踪观察，发现每TEU的油耗从1.42降低到0.7，大大降低了龙门吊的油耗。以龙门吊1个月平均箱量为5734TEU，改造前的油耗为8142升，每TEU油耗为1.42，改造后的油耗为4014升，每TEU油耗为0.7，使用混合动力改造后的龙门吊较常规龙门吊节能比率可达到50%。
4.结论
以锂电池为动力的龙门吊保留了原龙门吊灵活机动的特点，可以在任何场地作业，在操作上与原设备没有区别，不增加操作难度。在环境保护方面也符合国家节能减排的要求。
参考文献：
[1] 杨依领.西门子S7-300PLC程序设计及应用.清华大学出版社，2014
[2] 洪乃刚.电力电子技术基础[M].清华大学出版社，2008
[3] 周艳华，施思明，孙金余.混合动力RTG节能技术[J].港口装卸，2008（5）：31-33
[4] 葛建民.港口电气控制[M].南京：南京大学出版社，2009：58-59
论文作者:束孝华
论文发表刊物:《电力设备》2019年第21期
论文发表时间:2020/3/16
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