輪胎式龍門起重機油電混合動力系統改造及應用效果

許升元 潘明德 顏飛

輪胎式龍門起重機（rubber-tyred gantry crane，RTG）具有作業靈活、占地面積小、工作效率高等優點，是當前多數集裝箱碼頭堆場作業主要設備。傳統RTG通過大功率柴油發電機組發電提供動能，存在油耗高、污染嚴重等問題。對RTG進行油電混合動力系統改造，以“大容量鋰電池組+小功率柴油發電機組”替代原大功率柴油發電機組，使RTG依靠鋰電池組儲存的電量工作，并通過能量回饋，將起升機構下降及各機構減速過程中產生的再生能量回饋至鋰電池組，從而實現降低能耗和碼頭運營成本的目的。

1 RTG油電混合動力系統改造

RTG油電混合動力系統改造采用大容量鈦酸鋰電池組和小功率柴油發電機組作為RTG供電系統。鋰電池組容量為120 A h，電壓為525 V，可為RTG轉場提供電源;鋰電池組直接向RTG整機變頻器上的直流母排提供工作電源，同時勢能可回饋至鋰電池組。此外，增加恒壓恒頻輔助逆變電源系統，將直流母排上的直流電源逆變成三相交流電源，作為輔助電源供整機照明、控制等使用。鋰電池組的充電電源為80 kW柴油發電機組或外部電源。柴油發電機組控制配電箱中設有柴油發電與市電充電切換開關;供電系統動力房內配有200 A、400 V三相航空插座，方便使用岸電快速充電。

1.1 鋰電池組供電系統硬件構成

鋰電池組供電系統（見圖1）包括柴油發電機組、可控整流單元模塊、DC-DC變換器、電池儲能單元、輔助電源逆變器、正弦波濾波器等。

1.1.1 柴油發電機組

鋰電池組供電系統使用80 kW小功率柴油發電機組替代原大功率柴油發電機組為鋰電池儲能單元充電。當鋰電池組發生故障時，可切換至柴油發電機組直接供電，滿足大車、小車和起升機構慢速運行用電需求和空調、照明、通信等輔助用電需求。本項目柴油發電機組中的柴油發動機和發電機分別選用康明斯柴油發動機和斯坦福發電機。

1.1.2 可控整流單元模塊

將起升變頻器二極管整流部分改造為可控整流單元模塊，使其具有整流、限流、升壓和穩壓作用，具體表現為：將柴油發電機組輸出的400 V交流電源整流成所需的直流電源;將電壓提升至所需電壓并保持電壓穩定;限制電流，防止在起升機構重載上升時發電機組過載熄火，使發電機組始終處于最佳工作狀態，從而提高發電效率。本項目可控整流單元模塊選用VACON 品牌、400 V主動前端整流器和LCL濾波器。

1.1.3 DC-DC變換器

DC-DC變換器采用雙向架構，其作用在于維持并穩定直流母線電壓，限制充放電電流，防止電池過充電或過放電，從而延長電池使用壽命，增強系統靈活性。本項目DC-DC變換器選用市場上廣泛使用的優質品牌，電池側額定電流為675 A，電池側電壓為400～600 V，母線側電壓為500～720 V，輸出功率為300 kW。

1.1.4 電池儲能單元

電池儲能單元采用鈦酸鋰電池，在為RTG整機提供動力源的同時，還能將起升機構下降時產生的勢能轉換為動能。當電池管理系統檢測到電池電量低時，可編程邏輯控制器啟動整流單元和柴油發電機組，為電池儲能單元充電。本項目電池儲能單元選用日本東芝原裝進口鈦酸鋰電池和電池管理單元，鋰電池組容量為120 A h，電壓為525 V。

1.1.5 輔助電源逆變器

輔助電源逆變器將直流電源逆變成三相交流電源，為可編程邏輯控制器、照明設備等提供輔助電源。本項目采用VACON品牌110 kW、400 V輔助電源逆變器。

1.1.6 正弦波濾波器

正弦波濾波器的作用是過濾逆變器所輸出三相電源的諧波，使其更接近三相正弦波交流電源，從而消除諧波電壓對電子控制設備的影響，提高輔助供電質量。本項目選用國內某知名品牌額定電流為200 A的濾波器。

1.2 鋰電池組供電系統動力房布置

如圖2所示：鋰電池組供電系統動力房布置在RTG原動力房安裝位置;在改造安裝平臺內設置可收放維修平臺，收放機構操作簡便，并且不干涉其他裝置。RTG原發電機房外側留有寬800 mm左右的走道，在朝內一側設置可收放維修平臺。新改造的80 kW柴油發電機房尺寸為2 600 mm？ 280 mm？2 600 mm，質量為2.3 t，自帶平臺和可收放維修通道。新動力房安裝在原動力房平臺梁的中央，長度方向中心線與平臺梁中心線平齊，確保負載平衡。原動力房寬約2.00 m，新動力房平臺寬1.28 m，未超出原來的范圍空間。

鋰電池組供電系統動力房改造后，RTG的輪壓估算如下。

（1）80 kW小型柴油發電機房及其平臺總質量約2.8 t。

（2）混合動力電池房總質量約4.85 t，包括：3個電池柜的質量為1 500 kg;變頻器柜的質量為600 kg;控制柜的質量為500 kg;其他裝置的質量為250 kg;電池房自重為2 t。

（3）動力房平臺加輔料的總質量約1 t。

（4）改造完成的鋰電池組供電系統總質量（包括發電機房及其平臺、電池房及其平臺、電池等元件）約為8.65 t。

（5）根據RTG結構計算書中的數據，原動力房的質量約為9 t。

從以上計算結果可見：鋰電池組供電系統裝置的總質量與原大型柴油發動機RTG動力房的質量相當，改造后不會增加RTG輪壓。

1.3 鋰電池組供電系統控制

（1）鋰電池組供電系統控制電源取RTG控制系統控制電源，為鋰電池組供電系統可編程邏輯控制器、智能電池管理系統、AC-DC整流器、DC-DC變換器和輔助電源逆變器等提供控制電源。

（2）鋰電池組供電系統可編程邏輯控制器通過控制器局域網絡（controller area network，CAN）總線與智能電池管理系統通信，并讀取智能電池管理系統數據，控制柴油發電機組運行和停止。

（3）鋰電池組供電系統可編程邏輯控制器檢測柴油發電機組狀態（故障、油位、油溫和運行等）、AC-DC整流器狀態（故障、運行）、DC-DC變換器狀態和輔助電源逆變器狀態，并控制柴油發電機組、AC- DC整流器、DC-DC變換器和輔助電源逆變器運行。

（4）鋰電池組供電系統可編程邏輯控制器通過RS485接口或輸入輸出端口與RTG電氣控制系統可編程邏輯控制器通信，并發送鋰電池組供電系統故障、運行等狀態信息至RTG電氣控制系統可編程邏輯控制器，控制RTG運行。當RTG電氣控制系統可編程邏輯控制器收到鋰電池組供電系統故障信號時，RTG緊急制動。

（5）當鋰電池組供電系統可編程邏輯控制器收到智能電池管理系統發出的電池電量低的信號時，立即啟動柴油發電機組運行;當鋰電池組供電系統可編程邏輯控制器收到柴油發電機組正常運行的信號時，啟動AC-DC整流器運行，DC-DC變換器開始對鋰電池組充電;當鋰電池組供電系統可編程邏輯控制器收到智能電池管理系統發出的電池電量高的信號時，停止AC-DC整流器和柴油發電機組工作。在鋰電池組供電系統正常運行的過程中，DC-DC變換器和輔助電源逆變器一直處于工作狀態。當鋰電池組供電系統停止運行時，柴油發電機組、AC-DC整流器、DC-DC變換器和輔助電源逆變器均停止工作，以降低能耗。鋰電池組供電系統可編程邏輯控制器接收智能電池管理系統的狀態信息，包括所有電池的電壓、溫度等信息。

（6）在RTG司機室聯動臺上設置鋰電池組供電系統狀態指示燈、鋰電池組供電系統啟停開關。

1.4 智能電池管理系統

智能電池管理系統采用東芝原裝進口電池原配監控系統，具有鋰電池狀態實時監控、數據處理、故障分析和定位、電池荷電狀態和電池健康狀態估算、數據傳輸、充放電控制、運行數據存儲等管理功能，例如：估測鋰電池組的荷電狀態，實時顯示剩余電量或荷電狀態，從而將剩余電量維持在合理的范圍內，防止因過充電或過放電而使電池受損;計算、比較、記憶和報告電池在不同負荷條件下的充放電狀態，電池容量檢測誤差小于5%;監控和報告不同電池模塊的溫度和電壓;判斷故障電池模塊，并向主系統可編輯邏輯控制器發出故障停機信號。智能電池管理系統與主系統可編程邏輯控制器間采用CAN2.0B國際標準通信協議，具有通信可靠、數據交換方便等優點。電池組可24 h連續工作，無須單獨停機或啟動柴油發電機組;由可編程邏輯控制器控制實現電池組自動平衡功能，一旦檢測到電芯壓差大于10 mV，立即觸發平衡功能，確保系統在長期充放電狀態下仍能正常啟動。

2 RTG油電混合動力系統應用效果

2.1 RTG油電混合動力系統應用

司機上機將發動機房內電瓶切換開關轉至合閘 （“ON”）位置（見圖3），并對發動機油、水、電進行常規檢查;司機室右聯動臺上設有混動按鈕功能鍵，司機操作主要涉及送電和斷電，其他操作與傳統柴油發動機RTG操作一致。

RTG油電混合動力系統具體操作步驟如下。

（1）混合動力合閘送電：按下“24 V電源合閘” 按鈕（見圖4），指示燈亮90 s后按下“混動合閘” 按鈕（見圖5），30 s后“混動合閘”指示燈亮起，隨即系統控制電源合閘，開始作業。

（2）混合動力分閘斷電：系統控制電源分閘;按下 “混動分閘“按鈕（見圖6）;下機前，將電瓶切換開關轉至分閘（“OFF”）位置。

RTG油電混合動力系統操作說明：（1）按下“電源合閘”按鈕后，綠色指示燈亮起90 s，待系統啟動后，方可操作混動合閘 ;（2）混動合閘指整機電源供電，合閘后整機有電，且司機室內的指示燈、照明和空調等設備有電;（3）混動分閘指整機電源斷電;（4）系統控制電源合閘和系統控制電源分閘指RTG電氣系統控制分合閘，合閘后起升、大車、小車各機構動作，分閘后各機構停止動作;（5）在電源合閘狀態下，當電池電量低需要對電池充電時，可以手動啟動柴油發電機組對電池充電;（6）“混動故障”指示燈用于提示混合動力系統故障，“混動故障復位”按鈕用于復位故障混合動力系統。

2.2 RTG油電混合動力系統節能效果

大連集裝箱碼頭有限公司RTG油電混合動力系統改造項目于2018年6月19日完成，為驗證該系統應用效果，在正式投入使用前對其進行節能測試。YC41號、YC42號、YC43號、YC44號和YC45號RTG為同品牌、同批次采購和投產的傳統柴油發動機RTG，對YC44號RTG實施油電混合動力系統改造后，比較其與YC41～43號及YC45號RTG的作業箱量和單箱油耗（見表1）。通過對比可見，YC44號油電混合動力RTG比傳統柴油發動機RTG節能63.5%，達到預期效果。

3 結束語

在傳統大功率柴油發動機RTG無法滿足日益嚴格的環保要求的背景下，低能耗油電混合動力RTG已成為當下RTG技術發展趨勢。RTG油電混合動力系統改造保留原柴油發動機RTG作業靈活的優點，無須改造碼頭堆場設施，投資較少，且節能63%左右，有利于降低碼頭運營成本。此外，傳統大功率柴油發動機RTG的維保費用高昂，RTG油電混合動力系統改造有利于降低碼頭設備技術維護成本。

（編輯：曹莉瓊 收稿日期：2019-04-12）