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燃料电池/超级电容器驱动集装箱起重机的设计、建模、控制及技术经济评价
作者：佩德罗·J·科拉尔·维加，帕布罗·加卡·特里维诺，路易斯·弗恩安德斯-拉米雷斯
卡迪兹大学电气工程系可持续和可再生能源电气技术研究组
文章信息：接受日期：2019年7月31日
在线提供：2019年8月2日
关键词：橡胶轮胎龙门架（RTG）、燃料电池、超级电容器、混合动力系统
摘要：本文介绍了一种以燃料电池（FC）单元和超级电容器（SCs）为储能系统（ESS）的橡胶轮胎门式起重机（RTG）的“全绿色”方案，以取代传统的柴油机驱动的橡胶轮胎门式起重机（RTG）。在起升运动中加速负载时，超级电容器提供所需的高电流峰值和功率。一旦功率需求达到稳定水平（提升恒速），燃料电池提供其余运动所需的能量。
当起升机构的吊具向下移动时，超级电容器被充电，在这种情况下，再生能量可以存储在超级电容器中，而不是像传统的橡胶轮胎门式起重机那样在制动电阻中损耗。这种基于燃料电池和超级电容器的新型混合动力系统是从RTG起重机的实际行驶工况出发被设计和评估的。将其仿真结果与目前柴油机驱动的橡胶轮胎门式起重机结构进行了对比研究，验证了燃料电池和超级电容器驱动的橡胶轮胎门式起重机的技术可行性。虽然这种混合动力总成比柴油动力总成更贵，但更节能，从环境角度来看是更好的解决方案。
1.介绍
目前，石油产量持续增长、能源需求特别是发展中国家能源需求增加、化石燃料价格上涨等因素已成为交通运输部门持续关注的问题。基于这些事实，各个市场都在开发和推广减少温室气体排放的新技术。这场运动的主要领导者之一是港务局和码头运营商，他们正在寻求减少二氧化碳排放量的方法[1]。减少二氧化碳排放量趋势的一个明显例子可以在洛杉矶港找到[2]。世界上大多数码头都在使用橡胶轮胎门式起重机来处理码头堆场内的集装箱，这些起重机绝大多数由柴油发电机组（DPP）提供动力，每台功率超过400千瓦，每小时的额定消耗量为15升，相当于每小时产生40千克二氧化碳。目前，柴油循环热电联产系统的额定效率约为40%[4]。
为了降低橡胶轮胎门式起重机的柴油消耗，有些集装箱码头已经被采取了一些措施，例如：分别或同时使用SCs[5,6]、电池[7,8]和飞轮[9]，或者缩小柴油发动机的尺寸。SCs可以被认为是在连续启动/停止期间具有快速需求的应用的最合适的选择。此外，橡胶轮胎门式起重机在制动（再生制动）过程中通常会在短时间内产生能量，SCs能够吸收这一峰值的能量，以便在下一个循环中将储存的能量重新注入系统。有关SCs应用于再生系统的概述，见参考文献[10]。在文献[11]中，作者没有直接讨论起重机的重组，而是提出了一个电气起重机的ESS网络。
其他集装箱码头更喜欢使用电气化RTG。这是全世界的新趋势。然而，由于一些新兴国家的电力供应基础设施差，这就使得为这种电气化的橡胶轮胎门式起重机提供所需的能源变得困难。
本文提出在RTG起重机上使用一种基于FC和SCs的新型混合推进系统，取代目前的dpp，后者的效率比FC运输车辆低，因为没有卡诺限制[12,13]，这是本文的主要创新点和贡献。文献[6]对基于DPP和SCs的同一RTG混合动力系统进行了研究和评价，同时从技术经济的角度出发，提出了一种新的无动力总成混合动力系统，并对其进行了设计和评价。
FCs的氢可以通过改造传统燃料（如天然气）或水电解获得。如参考文献[12]所述，电解槽可用于在高压下直接产生氢气。然后，氢气进入高压储存室，无需泵送。为了降低起重机的成本和提高其性能，通常采用燃料电池和普通电池作为一次能源或者是燃料电池单元和超级电容器作为储能系统的混合推进系统[13,14]。这种配置的优点包括以下几点[13,16]：（1）由于FC具有延时响应和有限的功率输出，所以在峰值需求期间（例如加速度）提供快速附加功率；（2）由于储能装置通常比以千瓦为单位运行的FC便宜，因此FC的尺寸减小，因而成本降低；（3）在储能装置中的再生制动期间（当负载降低时）能量的回收和储存被启用，这增加了起重机的整体效率；（4）这种控制策略确保了FC在高效区域更频繁地运行。
在各种类型的燃料电池中，质子交换膜燃料电池因其功率密度高、比功率大、工作温度低、效率高、动态性能好、对功率需求变化的相对快速调节能力和尺寸灵活性而被认为是适合集装箱起重机的选择[16e18]。电池比SCs具有更高的比能量，因此可以提供更长时间的额外功率[19]。通常，现在市面上出售的SCs只能提供相当重量电池的十分之一能量。然而，SCs比电池提供的能量要快得多。此外，它们的循环寿命很高，超过105个完整循环过程[15]，因此能在已经受到电池制造商追捧的市场中迅速占据一席之地。
然而，由于动力总成成本较高，因此很少有使用FC和SCs驱动的起重机[20]。因此，很少有项目选择使用燃料电池推进系统来运行大功率机车、轨道车或有轨电车[21e23]。
据我们所知，对FC和SCs驱动的混合动力系统的相关文献进行全面的回顾，并没有显示出与本文所述工作类似的文献。大多数已发表的研究成果都没有集中在以FC和SCs为主要动力源的动力总成上，也没有详细描述设计和控制所采用的方法。参考文献[24-32] 中提供了不同配置和功率需求的一些工程实例。
文献[24]提出的混合系统由大功率FC作为主电源，SC作为辅助电源（如照明等辅助设备的供电）组成，由多模式等效能量管理系统（EMS）控制。参考文献[25]也给出了同样的配置，其中为飞机开发了3kw辅助电源装置（由FC和SC组成）。能量管理是基于一个改进的下降控制变成了一个分散的能量管理系统，将负载功率分为其高频和低频部分，并分配给燃料电池和超级电容器。参考文献[26]中提出了一种方法来确定燃料电池和超级电容器驱动的混合动力起重机的大小。文献[27]讨论了以FC为主要电源，SCs为辅助电源的混合系统的电源管理策略。将该结构模型化为端口控制的哈密顿系统，分析了混合系统的工作模式和相应的多平衡态。文献[28]描述了FC/SC混合式起重机作为一种具有吸引力的未来选择。本文研究了一种新的能源管理方法和经济分析方法。本文还讨论了工作条件下影响FC堆栈寿命的因素
最后，以燃料电池为主要能源的混合动力配置也在参考文献[29-32]中讨论过。在这些情况下，由于FC固有的限制，导致相对缓慢的瞬态响应，车辆采用SC作为ESS来响应快速的功率变化。在所有这些研究中，FC起重机所需的峰值功率低于RTG所需的功率。参考文献[29]设计了一个功率管理系统来控制FC和SC之间的负载分布，这项工作考虑了FC的动态限制、额定功率和有限的SC电压。文献[30]开发了一种基于FC的城市公交车，作为城市交通的长期零排放解决方案。本研究开发了一个实验室规模的FC/SC混合动力系统，实现DC/DC转换器来控制公共总线电压和功率平衡。参考文献[31]中提出了FC/SC动力系统，该动力系统配置了一个硬约束动力系统，从燃油经济性和可驾驶性方面为能源管理策略提供了不利的情景。针对这一问题，本文提出了一种基于短期未来能源需求估计的新型能量管理系统，旨在将供应链的能量状态保持在两个极限之间。最后，参考文献[32]对以质子交换膜燃料电池（PEM-FC）为主要能源的电动起重机辅助电源的技术可行性进行了评价。
有鉴于此，本文的主要创新点和贡献概括如下。本文提出了一种新的混合动力系统配置和325kw RTG起重机的EMS，该起重机目前在西班牙阿尔吉拉港的转运集装箱码头工作。基于FC/SC的新型动力总成，从技术经济角度进行了设计和评价。它由3个FCs（每个额定功率为85kw）和6个125 V-63F的SC模块组成。RTG电动机产生的再生能量被储存在SC中，以优化下一个循环的能耗。这种方法是新颖的且合理的，因为在之前的许多参考文献中，没有对整个系统进行经济性评估，甚至没有考虑再生能源的使用。将典型的柴油发电机驱动的RTG起重机与新型的FC/SC动力传动系统进行了实车试验对比，通过与实际RTG起重机的数据对比，验证了该模型的正确性。此外，新的能量管理系统是基于直流母线电压的调节和SC的SOC的控制。SC在提升运动中加速负载时提供所需的高电流峰值和功率需求，FC以稳定的能量水平为其余运动提供能量。SC主要由吊装过程中的再生能量充电，而不是在制动电阻中燃烧再生能量，提高了能量利用率。
引言后，本文的结构如下：第二节介绍了柴油发电机驱动的RTG起重机当前配置的主要特点；第3节介绍了基于FC和SCs的新型混合动力系统，以及部件的尺寸和建模；第4节描述了FC-SC混合式起重机的环境管理系统；第5节利用实际工作循环对柴油起重机和混合式FC-SC起重机的结构进行了比较研究，此外，本节还评估了新型混合动力系统的经济可行性；最后，第6节概述了本文的主要结论。
2.RTG起重机说明
本工程所考虑的RTG起重机（图1a）是西班牙Algeciras港口码头堆场中使用的典型集装箱起重机。这种起重机通过充气橡胶轮胎沿整个码头移动，使起重机在堆垛车道内具有一定的移动等级。RTG起重机处理几种类型的集装箱（20英尺或40英尺，2x20英尺），并将其存放在为集装箱准备的堆垛上（在Algeciras码头，通常为6排加1个卡车车道）。堆栈的高度是5层一行。该起重机的额定起重量为50吨，由浙江港机公司制造。RTG起重机布局包括一个电源组（发电机组），其中包括一个柴油发动机，该柴油发动机与一个由可调电压控制单元调节的自励发电机耦合。325千瓦发电机组为起重机的电气、液压和辅助系统供电。起重机通过7个交流电机完成集装箱的所有移动：一个提升电机（集装箱上下）、两个小车电机（在堆垛行内前后移动集装箱）和四个龙门电机（在码头区域内移动整个RTG）。典型的RTG起重机工作循环过程如下：1）从停靠在码头边的船舶上的卡车上吊起集装箱；2）小车向前移动，将集装箱装载到计划的堆垛/排中；3）将集装箱吊起至计划位置，4）将集装箱放下，小车返回初始位置，等待另一个集装箱。使用250千瓦的起重电机提升集装箱，直线速度从集装箱空箱时的44米/分钟到满载时的22米/分钟不等。集装箱通过两个35千瓦的耦合交流电机向前/向后移动小车。龙门行走不像其他运动那样频繁，其功率需求为140kw。只要进行起重或小车移动，就不能进行龙门移动。因此，本文重点研究了提升机和小车的运动，这是集装箱在堆垛内定位操作过程中的主要运动（见图1b）。
图2表示RTG起重机实际工作周期的估计值。这些值是电机速度、扭矩需求和RTG定位满载集装箱时的总负载，50吨（包括辅助服务，如空调、泛光灯、液压系统等）。可以看出，整个循环需要96秒才能完成。
图1（a）RTG起重机；和（b）起重机的运动（起重机和小车）。
图2起重和小车特性曲线（a）电机速度；（b）所需扭矩；和（c）总负载功率。
图3。提出了基于FC和SC的RTG起重机混合配置方案。
3.燃料电池超级电容器驱动的RTG起重机
本文所研究的RTG起重机的结构是一种新型的混合动力系统，它以柴油发电机为基础，通过DC/DC升压变换器与DC总线耦合，用FC和SCs代替传统的结构。与FC相关联的单向转换器和与SCs相关联的双向转换器将FC和SCs的输出电压分别增加到810 V以馈送DC总线。此外，与直流母线相连的逆变器为起升机构、小车和龙门架的感应电动机驱动装置提供能量。电阻器组也通过斩波器连接到该直流母线，当直流母线电压超过850伏直流电时，斩波器连接，这是因为电压过高而被断开，斩波器作为提升电机的发电机。这一过程在直流母线中产生额外的能量，如果由于充满电而不能储存在SC中，则会在电阻组中损耗。
RTG起重机新型混合动力系统的电气方案如图3所示。它显示了主要能源，FC和SC，功率转换器，电阻组和电动机驱动装置。在这种配置中，为主机和机架的电机以及辅助设备供电的逆变器直接连接到直流总线。由于起重机不能同时执行两个动作（大车运行和起升机构），一个逆变器为两个电机驱动器提供能量。这意味着大车只能在起升机构未运行时驱动。由于这种典型的RTG起重机配置，可以避免与额外逆变器相关的成本。
3.1.尺寸
无论在行程的哪一个阶段，必须始终保证RTG起重机的供能充足。因此，即使SCs完全放电，起重机也必须能够处理210千瓦的最大负载（见图2c）。考虑到这一前提，FC的必须能提供这么大的功率。因此，如果在某个工作周期内，SCs不可用，RTG起重机将在FC的唯一支持下继续工作。
另一方面，根据两个前提来确定SCs的尺寸：1）SCs必须能够在循环的前30 s内产生RTG起重机所需的能量，即：1.51kW/h（所需的最大持续能量）；2）最大和最小SC电压必须在DC/DC升压变换器的输入电压限制所确定的范围内。参考文献[33]中也有类似的标准（根据行驶循环确定电动车辆的SCs尺寸）
最后，在考虑了不同的模拟场景和商用组件后，选择了3个来自巴拉德的85kw PEM-FC（FCvelocity HD85）和6个来自麦克斯韦的125V-63F SC（BMOD0063-P125）。
3.2.燃料电池模型
在运输系统中选用质子交换膜燃料电池是合适的。参考文献[34,35]，这种FC具有高功率密度、比功率、相对较低的工作温度、长寿命、高效率（特别是与ICE相比）和可接受的动态特性。对于正在研究的RTG，我们选择了来自Ballard的85kw 420-V PEM-FC（FCvelocity HD85），其仿真模型取自文献[36]中描述的详细模型，该模型已用于大功率输电系统[37]。对于这项工作，采用了以下简化：
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