彭云輝

(天津港第一港埠有限公司，天津 300451)

1 輪胎式起重機(jī)油改電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)

1.1 供電模式

起重機(jī)械混合動(dòng)力系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要以起重機(jī)械既有動(dòng)力模式為前提條件，供電模式即柴油發(fā)電機(jī)組或網(wǎng)電通過(guò)儲(chǔ)能單元供電；發(fā)電機(jī)組或儲(chǔ)能單元結(jié)合供電；網(wǎng)電與儲(chǔ)能單元結(jié)合供電；燃料電池與儲(chǔ)能單元結(jié)合供電。

1.2 儲(chǔ)能裝置與能量控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

所謂儲(chǔ)能裝置選擇以超級(jí)電容器為主，其屬于新型儲(chǔ)能元件，是一般電容器與電池間交互的儲(chǔ)能元件。電容器獲得高儲(chǔ)能密度的方法包含2種，即基于容量不變，提升耐壓；基于耐壓不變，增加容量，超級(jí)電容則是通過(guò)增加電容器容量，實(shí)現(xiàn)較高儲(chǔ)能密度。利用多孔電極，促使電極單位體積的有效面積最大化，并適度縮小電極間距離，直到納米尺度，以此生成較大電容。

能量控制系統(tǒng)主要由雙向DC/DC變換器組成，其作用體現(xiàn)在銜接直流母線與超級(jí)電容器層面。直流母線檢測(cè)遇到電能反饋時(shí)，其電壓會(huì)呈現(xiàn)直線上升趨勢(shì)，在達(dá)到既定限定狀態(tài)時(shí)，超級(jí)電容器就會(huì)面向能量控制系統(tǒng)存儲(chǔ)電能資源，系統(tǒng)運(yùn)行需要消耗能量時(shí)，電機(jī)則發(fā)揮作用進(jìn)行能量補(bǔ)充。而直流母線電壓開始下降時(shí)，超級(jí)電容器便會(huì)將儲(chǔ)存的能量釋放出來(lái)，這時(shí)控制系統(tǒng)就會(huì)獲取一定的能量反饋。然后在起重機(jī)下放時(shí)，超級(jí)電容器可為后續(xù)上升儲(chǔ)存充足能量，以備使用。

1.3 電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

超級(jí)電容器可在很大程度上滿足混合動(dòng)力系統(tǒng)儲(chǔ)能裝置選擇需要，此部件與起重機(jī)上升、下降、啟動(dòng)、制動(dòng)等運(yùn)行條件相符，能夠快速準(zhǔn)確吸收與釋放能量，因此超級(jí)電容器是最理想，且可在很大程度上滿足需要的儲(chǔ)能裝置?；旌蟿?dòng)力系統(tǒng)為回收與可循環(huán)利用再生制動(dòng)能量，需要于系統(tǒng)內(nèi)合理分配超級(jí)電容器的具體數(shù)量與容量。

柴油發(fā)電機(jī)和超級(jí)電容器作為系統(tǒng)的動(dòng)力，超級(jí)電容器儲(chǔ)存可再生能源，與柴油發(fā)電機(jī)共同作用，為起重機(jī)提供電能。工作電機(jī)主要應(yīng)用在輪胎式起重機(jī)起重、變幅、旋轉(zhuǎn)等動(dòng)作驅(qū)動(dòng)過(guò)程中。變頻器與能量管理體系是基于IGBT模塊生成的，以變頻器為載體可面向起重機(jī)工作機(jī)構(gòu)速度進(jìn)行適度調(diào)節(jié)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)超級(jí)電容充電與放電過(guò)程的有效控制，二者基于DSP控制系統(tǒng)，在很大程度上加強(qiáng)了對(duì)于IGBT通斷的科學(xué)合理控制，獲得了良好成效。而信號(hào)檢測(cè)系統(tǒng)包含電壓、電流傳感器，信號(hào)放大器、濾波電路等，負(fù)責(zé)實(shí)時(shí)全面檢測(cè)直流母線電壓、超級(jí)電容、工作機(jī)構(gòu)等相關(guān)信號(hào)，同時(shí)面向DSP進(jìn)行傳輸，以此作為控制系統(tǒng)參考依據(jù)，從而給出相應(yīng)控制動(dòng)作。DSP控制系統(tǒng)為混合動(dòng)力系統(tǒng)核心所在，基于信號(hào)接收檢測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行信號(hào)傳輸，以系統(tǒng)供電原理為輔助加以評(píng)估決策，并生成控制指令，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)控制變頻器與能量管理系統(tǒng)通斷狀態(tài)的有效控制，以獲得良好的調(diào)速與充放電控制效果。

2 混合動(dòng)力輪胎式起重機(jī)系統(tǒng)

發(fā)電機(jī)組與儲(chǔ)能裝置相互串聯(lián)而成的混合動(dòng)力系統(tǒng)，即基于柴油發(fā)電機(jī)組驅(qū)動(dòng)交流變頻起重機(jī)，設(shè)計(jì)了以超級(jí)電容為載體的混合動(dòng)力系統(tǒng)。系統(tǒng)包含主電路與控制電路，主電路則包含柴油發(fā)電機(jī)組、超級(jí)電容器、雙向DC/DC變換器、三相異步電動(dòng)機(jī)等多元模塊；系統(tǒng)控制部分則主要由超級(jí)電容充電放電控制系統(tǒng)與變頻調(diào)速系統(tǒng)組成。

柴油發(fā)電機(jī)的輸出能量主要用于提供整流后的交流異步電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)負(fù)載，如果有備用發(fā)電，則存儲(chǔ)在超級(jí)電容器中。同時(shí)，起重機(jī)在降低重量、降低幅度或動(dòng)作機(jī)構(gòu)制動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的再生能量也存儲(chǔ)在超級(jí)電容器中。在起重機(jī)啟動(dòng)、上升、下降時(shí)，發(fā)電機(jī)所提供電能無(wú)法滿足需要的情況下，超級(jí)電容器則快速釋放能量，與發(fā)電機(jī)共同作用，同時(shí)為起重機(jī)提供能量。

3 混合動(dòng)力輪胎式起重機(jī)系統(tǒng)控制策略

3.1 電動(dòng)狀態(tài)控制

基于節(jié)能層面，超級(jí)電容器儲(chǔ)能裝置的增設(shè)，主要是為了給發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)電機(jī)組提供一定的輔助電源支持，以促使發(fā)動(dòng)機(jī)額定功率有所下降。其中，發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)責(zé)提供平均功率，而超級(jí)電容提供短期高功率和大電流，以滿足負(fù)荷的短期高功率需求。在電壓模式下，超電容器系統(tǒng)的放電目標(biāo)應(yīng)保持母線電壓恒定，維持母線的額定電壓。放電電流則基于電壓外圈與電流內(nèi)圈進(jìn)行雙重控制。通常情況下，在電壓模式下，放電電流相對(duì)偏大。而于功率模式下，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速到達(dá)額定轉(zhuǎn)速狀態(tài)，發(fā)電機(jī)組則與超級(jí)電容器共同發(fā)揮作用提供電能資源。這時(shí)，超級(jí)電容器放電功率應(yīng)就發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)電機(jī)所供給電能和超電容器的儲(chǔ)能狀態(tài)來(lái)確定。

3.2 回饋及其等待狀態(tài)控制

電動(dòng)機(jī)調(diào)速與電力電子裝置可靠性運(yùn)行，明確指出母線電壓必須保持穩(wěn)定，且變化范圍需嚴(yán)格控制。所以，系統(tǒng)能量反饋時(shí)，超級(jí)電容器需就能量反饋對(duì)吸收功率進(jìn)行科學(xué)合理調(diào)整，所謂吸收功率檢測(cè)主要基于母線電壓作為重要依據(jù)，較高的母線電壓表明反饋功率被及時(shí)吸收，較低的母線電壓表明反饋功率吸收過(guò)快，應(yīng)降低吸收功率。

3.3 空閑狀態(tài)控制

在怠速狀態(tài)下，起重機(jī)機(jī)構(gòu)不動(dòng)，發(fā)動(dòng)機(jī)應(yīng)回到空轉(zhuǎn)狀態(tài)，以節(jié)省燃料。當(dāng)系統(tǒng)處于怠速狀態(tài)時(shí)，將顯著提高燃油節(jié)約率；當(dāng)系統(tǒng)處于空轉(zhuǎn)狀態(tài)時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)能否恢復(fù)空轉(zhuǎn)速度取決于超電容器的儲(chǔ)能是否充足。如果超電容器電壓低于設(shè)定值，發(fā)動(dòng)機(jī)依舊保持固定速度運(yùn)轉(zhuǎn)，且基于發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)電機(jī)組面向超級(jí)電容器提供電能，這時(shí)轉(zhuǎn)變充電方式為恒流充電方式。一旦超級(jí)電容器的電壓超出設(shè)定值，并且工作機(jī)構(gòu)并未配置相應(yīng)的操作說(shuō)明，那么發(fā)動(dòng)機(jī)將會(huì)迅速返回到空閑狀態(tài)，保持待機(jī)。

3.4 預(yù)充電與啟動(dòng)控制

在起重機(jī)運(yùn)行前，應(yīng)通過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)-發(fā)電機(jī)組和雙向DC/DC變換器對(duì)超電容器進(jìn)行預(yù)充電。充電方式采用恒流充電方式。在系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中，當(dāng)起重機(jī)由空轉(zhuǎn)到第一個(gè)工作狀態(tài)時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)初始狀態(tài)為空轉(zhuǎn)，需要迅速以固定速度及時(shí)開啟發(fā)動(dòng)機(jī)。但是此過(guò)程會(huì)持續(xù)大約5s的時(shí)間，在發(fā)動(dòng)機(jī)提供電壓影響下不斷上升。在此環(huán)節(jié)，此裝置無(wú)法為系統(tǒng)提供電能，為保證起重機(jī)系統(tǒng)可準(zhǔn)確及時(shí)響應(yīng)操作指令，此階段儲(chǔ)能系統(tǒng)主要以雙向DC/DC變換器為載體來(lái)維持總線電壓不變。當(dāng)檢測(cè)到發(fā)電機(jī)電壓達(dá)到額定電壓后，根據(jù)上述工作狀態(tài)在不同工作狀態(tài)下的控制策略，對(duì)超電容器儲(chǔ)能裝置的工作模式進(jìn)行控制。

4 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，本文詳細(xì)分析了交流變頻調(diào)速系統(tǒng)、起重機(jī)電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)以及雙向DC/DC變換器，設(shè)計(jì)了交流變頻輪胎式起重機(jī)混合動(dòng)力系統(tǒng)。此系統(tǒng)中，容量配置合理的超級(jí)電容可有效吸收系統(tǒng)所生成再生能量，且基于發(fā)電機(jī)怠速狀態(tài)時(shí)，供電電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)，同時(shí)可與發(fā)電機(jī)有機(jī)結(jié)合，構(gòu)成系統(tǒng)功能能量來(lái)源。