一种轮胎式龙门起重机三动力混合节能系统

技术领域

本发明涉及一种码头设备动力系统，属于新能源应用领域，具体涉及一种 轮胎式龙门起重机三动力混合节能系统。

背景技术

1.传统RTG缺陷

传统轮胎式龙门起重机采用单一发电机组为动力，柴油机功率通常大于 400kW，燃油效率不足30％。主要原因如下：

a)装机容量大：由于必须满足RTG短时最高负荷需求，发电机组功率必 须按RTG最高需求设计，比RTG满载平均功率约大8倍；

b)燃油效率低：柴油机在最佳经济油耗区运转时，比油耗最低。RTG工 作时，为了确保控制系统及工作机构的正常供电，发电机组的输出功率必须大 于RTG的需求功率，发电机组要不间断地在额定转速下运行。由于RTG在不同 工况下的功率需求不同，发电机组需要实时调整输出功率使之与之匹配，大部 分时间柴油机都偏离经济油耗区运转，能源效率低下。如图2柴油机万有特性 曲线图A区，发动机在1200-1300转/分钟的转速下输出功率为240kW左右时油 耗最低，为186g/kWh——称之为“最佳经济油耗区”。当系统功率需求降至40kW 以下时，油耗高达426g/kWh(图2的B区)，是最佳经济油耗的2.3倍；RTG重 载起升加速时，发动机由于燃料燃烧不良，经常冒黑烟，导致污染严重；

c)无制动能量回收功能：当RTG的起升机构下降、小车运行和大车行走 机构减速制动时，因无储能装置，导致回馈的能量无法得到存储，必须通过能 耗电阻实时消耗掉。

2.目前混合动力RTG缺陷

由于传统轮胎式龙门起重机能源效率极低，存在明显缺陷，近年来随着动 力电池的发展和应用，形式多样混合动力RTG逐步问世，比较有代表性的混合 动力RTG有：“大容量电池组+大功率发电机组”双动力RTG、“大容量电池组+ 小功率发电机组”增程式混合动力RTG、“小容量电池组+小功率发电机组”叠 加功率式混合动力RTG。

各种形式混合动力RTG不同程度地解决了能耗问题，节油率大约可达40％～ 60％，但由于RTG的作业工况千变万化，现有的混合动力RTG仍存在以下缺陷：

a)柴油机功率仍然偏大：负载重量以及每个作业循环之间的间隔时间不 同，造成每个工班的实际平均功率不一，而混合动力系统的设计输出功率必须 大于满载和最高作业循环频率的功率需求，因此现有混合动力系统的柴油机组 仍然偏大,难以确保柴油机长期在最佳能效下运行。

b)“大容量电池组+大功率发电机组”双动力式混合动力RTG，以电池组 为主动力源，控制柴油机间歇性工作，一旦启动便高效运行，能效较高。但电 池需要“深充深放”，对电池性能要求较高；大功柴油机频繁启动，故障点增加。

c)推广困难：RTG昂贵，用户对设备可靠性放在首位，而动力电池运用 技术仍处于发展阶段，故障率相对较高，用户对选用油电混合动力系统持谨慎 态度；另外对于旧设备的改造，大多数混合动力系统需求更换原发电机组，一 是拆下的旧机组不易处理，二是存在故障增加的风险，用户改造积极性不高。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种改变RTG由单一发电机组或由“发 电机组+电池组”混合供电模式,在不改变传统RTG的动力系统的前提下，增加 一套“小功率发电机组+大容量电池组”组成的混合动力系统给RTG提供动力， 形成以“小发电机组、大容量电池组和大发电机组”为设备提供动力的“三动 力混合”RTG，旨在提高设备可靠性、降低能耗和增加旧设备改造推广的可行性 的轮胎式龙门起重机三动力混合节能系统。

本发明是通过以下技术方案来实现的：一种轮胎式龙门起重机三动力混合 节能系统，其特征在于：包括系统控制器、小柴油发电机组、AC/DC单向变换器、 单向DC/AC逆变电源、电池组及其管理系统、联络开关、大柴油发电机组、辅 助变压器，用电设备主要包括：起升变频器、小车变频器和大车变频器以及辅 助用电设备和控制电源；

小柴油发电机组输出与AC/DC单向变换器连接，经整流后给直流母线(DC BUS)供电；单向DC/AC逆变电源输入端与直流母线并联，经逆变输出至辅助变 压器；

电池组及其管理系统与直流母线并联，为大车变频器、起升变频器和小车 变频器提供作业功率并回收系统的回馈能量。

作为优选的技术方案，所述小柴油发电机组和所述大柴油发电机组可以单 独或者同时启动与所述电池组混合为起重机供电。

作为优选的技术方案，所述小柴油发电机组的输出功率小于满载用作业循 环频率最高时平均功率，小柴油发电机转速在经济转速下长期或间隙性运行并 输出额定功率，小柴油发电机组的功率大于或小于最大实际平均功率均不影响 最终能耗，小柴油发电机组选配功率在15～75kW范围以内。

作为优选的技术方案，所述大柴油发电机组输出一路直接与起升变频器的 交流输入端连接，经整流后为直流母线供电，大柴油发电机组的另一路与联络 开关连接。

本发明的设计特点、工作原理和主要控制逻辑说明如下：

a)大小两套柴油发电机组可分别或同时输出与电池组混合为设备提供 动力，形成设备的“三动力混合”系统；电池组和大柴油发电机组均可独立支 持作业；小功率柴油发电机组不要求按最大负载、最频繁作业循环频率的平均 功率配置，仅按平均负载和平均作业循环频率的平均功率设计即可。

b)通常情况下，设备作业时大发电机组处于关闭状态，小柴油发电机组 以额定功率输出，达到最佳能效，不足部分功率由电池组补充，系统输出功率 与需求功率高度匹配。

c)当实际动态平均功率小于小柴油发电机组的额定功率时，小发电机组 输出的盈余能量给电池组充电，电池组电量达到设定上限时，关闭柴油机，转 为纯电池组提供动力；当电池组放电至设定下限时，重新启动小发电机组。

d)偶尔的，当实际平均功率大于小柴油发电机组的额定功率时，小发电 机组因功率输出不足造成电池馈电；当馈电量达到设定值时，启动大发电机组 直接给RTG供电，富余能量给电池组充电；电池组电量达到设定值时，关闭大 柴油发电机组。

e)当电池系统出现故障时，启动大柴油发电机组，转由传统模式作业， 无需抢修；大柴油发电机组在大负载及作业循环特别频繁时起到应急保障作用， 提高设备可靠性。

f)电池组可独立支持作业，满足最大功率需求的同时，可实现全部能量 回收并循环利用，提高能效。

本发明的有益效果是：小发电机组功率按实际作业平均功率需求设计，通 常情况下设备作业时大发电机组处于关闭状态，小发电机组以额定功率输出， 不足功率由电池组补充，系统的输出功率与需求高度匹配，能效最佳。作业繁 忙或负荷较大，实际平均功率需求大于小发电机组功率造成电池馈电时，启动 大发电机组给设备直接供电，富余能量给电池组充电。电池组可实现回馈能量 全回收。应用于旧设备改造时，原动力系统基本不变。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施 例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述 中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付 出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1：本发明三动力系统原理图；

图2：柴油机万有特性曲线图。

具体实施方式

本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互 相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。

本说明书(包括任何附加权利要求、摘要和附图)中公开的任一特征，除 非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换。即，除非 特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。

如图1和图2所示，本系统主要构成包含：系统控制器1、小柴油发电机组 2、AC/DC单向变换器3、单向DC/AC逆变电源4、电池组及其管理系统5、联络 开关6、大柴油发电机组7、辅助变压器8；RTG与本系统关联的用电设备主要 包括：大车变频器9、起升变频器10、小车变频器11、小车电机12、起升电机 13、大车电机14和辅助用电设备15等。其中，大柴油发电机组7、辅助变压器 8、大车变频器9、起升变频器10、小车变频器11、小车电机12、起升电机13、 大车电机14和辅助用电设备15与原设备完全相同，旧设备改造项目不需要做 任何更改；系统控制器1、小柴油发电机组2、AC/DC单向变换器3、单向DC/AC 逆变电源4、电池组及其管理系统5为小发电机组和电池组组成的混合动力系统； 联络开关6仅在转由大发电机组的传统作业模式时连接，辅助用电设备转由发 电机组直供。

电路连接方式及原理：小柴油发电机组2输出与AC/DC单向变换器3连接， 经整流后给直流母线(DCBUS)供电；单向DC/AC逆变电源4输入端与直流母 线并联，经逆变输出至辅助变压器8，变成AC380V50Hz标准三相电给设备的辅 助用电设备使用；电池组5与直流母线并联，为大车变频器9、起升变频器10、 小车变频器11提供作业功率并回收系统的回馈能量；大柴油发电机组7输出一 路直接与主起升变频器10的交流输入端连接，经整流后为直流母线供电，另一 路与联络开关6连接；联络开关6控制切换辅助供电的输入电源，是由逆变电 源4提供还是由大柴油发电机组7提供；系统控制器1与电池组5通讯，根据 电池组的电压、SOC电量等参数控制大小柴油机启停，系统故障时，判断并提示 手工、或自动切换至由大柴油发电机组独立供电的传统作业模式。

本系统的能量管理控制及工作原理详细说明如下：

1、作业时启动小柴油发电机组2,经AC/DC单向变换器3转换输送到直流母 线为辅助用电设备供电并给电池组充电，当系统控制器1检测到电池组SOC电 量达到设定值时，工作机构可投入作业；

2、作业时负载重量以及作业循环频率等实际工况决定着工班的实际平均功 率需求；

3、如实际平均功率恰好等于小柴油发电机组2的输出功率时，小柴油机长 期以额定功率输出，能效最佳，电池组5“浅充浅放”，SOC电量窄幅波动并保 持基本平衡；

4、如实际平均功率大于小柴油发电机组2的输出功率时，电池组5馈电， 当电池组馈电，SOC电量降至设定值时，启动大柴油发电机组7，同时可关闭小 柴油发电机组2，大柴油发电机组AC输出至起升变频器10的交流输入端，经整 流后送至直流母线，给设备使用以及为电池组充电；当电池组SOC电量升设定 时，关闭大柴油发电机组7同时启动小柴油发电机组2，转回由“小发电机组+ 电池组”的混合动力作业模式；

5、如实际平均功率小于小柴油发电机组2的输出功率时，电池组5电量逐 步增加，当电池组SOC升至设定值时，关闭小柴油发电机组2，RTG由纯电池提 供动力；纯电池作业下电池组SOC降至设定值时，重新启动小柴油机；

6、如遇装船或集中提箱作业时，总是重载下降空载起升，回馈能量大于总 体需求能量，电池组5电量越来越高，当电量达到设定值时，RTG原有制动单元 打开，回馈能量通过制动电阻消耗掉。

7、如作业过程中电池系统或逆变单元出现短时无法回复的故障时，人工切 换至大柴油发电机组7供电，恢复至由单一的大柴油发电机组提供动力的传统 模式作业。

本发明轮胎式龙门起重机三动力混合节能系统具备以下特点：

1、小柴油机发电机组输出交流电直接转换直流电，对输出的交流电频率不 必要求为标准50Hz，即柴油机无需追求恒定在1500rpm转速运行，可根据柴油 机本身特性，选择并控制小柴油机在最佳经济油耗区下工作，在混合动力模式 下，系统输出功率与需求功率全程动态匹配，达到最高能效；

2、大柴油机长期处于关闭状态，在偶发的实际平均功率较大时，短时间歇 性工作，对总体油耗影响不大；混合动力系统故障时，转由大柴油机工作，系 统可靠性有保障；

3、绝大部分作业工况下，实现RTG回馈能量的全回收并循环利用。

4、电池组“浅充浅放”使用寿命长；

5、本系统应用于旧RTG改造时，除辅助用电回路增加联络开关以外，原动 力系统几乎不需要做任何改动即可达到最佳燃油效率，具有较高的推广性。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于 此，任何不经过创造性劳动想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围 之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书所限定的保护范围为准。