（控制科学与工程专业论文）混合动力起重机系统控制算法研究.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 摘要 随着世界经济一体化进程的不断发展，起重机在港口和越来越多的领域得 到广泛的应用。由于能源价格的急速攀升和环境保护的进一步要求，传统起重 机高耗能，低效率的缺点日益凸现，因此各国纷纷加强对起重机节能技术和绿 色制造技术的研发，绿色化成为港口机械的发展趋势。 本文设计的混合动力起重机系统主要由柴油发电机组、超级电容器、双向 d c d c 变换器和工作电机构成。通过超级电容器，将重物负载下降回馈的能量 储存起来，充分利用回收的再生能量作为动力补给，可以大大提高了能源利用 率，这样就将原来消耗在制动电阻上的能量完全利用起来，从而达到节能环保 的目的。 本文主要研究混合动力起重机系统的原理以及各器件特性，并制定系统最 优控制策略，改进柴油发电机组性能，降低发动机装机容量，充分回收负载势 能，提高系统能量利用率。 本文主要以2 5 t 轮胎式起重机作为研究对象，对整个混合动力起重机系统 进行详细的理论分析，拟定混合动力起重机系统控制算法，设计软开关双向 d c d c 变换器，并进行系统实验，分析节能效果。 ( 1 ) 分析混合动力起重机系统原理和组成，包括柴油发电机组、超级电容 器、能量管理系统、双向d c d c 变换器的工作原理及特点，为合理选配柴油发 电机组、超级电容器提供理论依据； ( 2 ) 根据混合动力起重机系统的特性，设计相应的各种控制策略，包括柴 油发电机组控制策略、能耗制动控制方式、超级电容器能量控制策略、双向 d c d c 充放电控制方式等； ( 3 ) 设计了软开关双向d c d c 变换器，主要介绍系统实际中使用的移相 控制全桥软开关变换器，研究双向d c d c 变换器的控制策略，并进行系统实验， 验证整个系统工作原理的正确性、混合动力起重机控制策略以及双向d c d c 软开关控制器控制策略的合理性，并对实验数据进行分析，并最终得到了能反 映系统节能效果的节能比。 关键词：混合动力；超级电容器：双向d c d c 变换器；软开关；控制策略 武汉理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t w i t ht h ec o n t i n u o u sd e v e l o p m e n to ft h ew o r l de c o n o m i ci n t e g r a t i o np r o c e s s s u n c e a s i n gd e v e l o p m e n t ，c r a n eh a saw i d er a n g eo fa p p l i c a t i o n sa tt h ep o r ta n da g r o w i n gn u m b e ro fa r e a s a sar e s u l to ft h er a p i dr i s ei ne n e r g yp r i c e sa n d e n v i r o n m e n t a lp r o t e c t i o n sf u r t h e r r e q u e s t ，t h ed i s a d v a n t a g eo fh i g he n e r g y c o n s u m p t i o na n dl o we f f i c i e n c yo ft h et r a d i t i o n a lc r a n ei nr e l i e f sd a yb yd a y , s o m a n yc o u n t r i e ss t r e n g t h e nr e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n to fc r a n ee n e r g y - s a v i n ga n d g r e e nm a n u f a c t u r i n gt e c h n o l o g y , t h eg r e e nh a v eb e c o m et h ed e v e l o p m e n tt r e n do f p o r tm a c h i n e r y t h e s ec o m p o s i t i o n so fh y b r i dp o w e rc r a n es y s t e ma r ed i e s e lg e n e r a t o rs e t s ， s u p e rc a p a c i t o r s ，b i d i r e c t i o n a ld c d cc o n v e r t e ra n d w o r kd n v em o t o r t h eb a c k u p e n e r g yo ft h el o a dd r o pw a ss t o r e db yt h es u p e rc a p a c i t o r , t h i ss y s t e mt h a tc a nm a k e f u l lu s eo fr e c y c l e ds u p p l i e so fr e n e w a b l ee n e r g ya st h ed r i v i n gf o r c ec a nb eg r e a t l y i m p r o v e de n e r g ye f f i c i e n c y , s ot h ee n e r g yc o n s u m e db yb r a k i n gr e s i s t o ro r i g i n a l l y c a nb ef u l l yu t i l i z e da n de n e r g y - s a v i n ga n de n v i r o n m e n t a l p r o t e c t i o nc a nb e a c h i e v e d t h i sp a p e rs t u d i e st h ep r i n c i p l eo ft h eh y b r i dp o w e rc r a n es y s t e ma n de a c h d e v i c ec h a r a c t e r i s t i c s ，a n dd e v d o p sas y s t e m a t i co p t i m a lc o n t r o ls t r a t e g yt oi m p r o v e t h ep e r f o r m a n c eo fg e n e r a t i n gu n i t st or e d u c ee n g i n ec a p a c i t y , f u l lr e c o v e r yo ft h e l o a dp o t e n t i a le n e r g y , i m p r o v ee n e r g ye f f i c i e n c yo ft h es y s t e m t h i sa r t i c l ea n a l y s e st h ew h o l es y s t e mo fh y b 耐m o t i v ec r a l l ei n d e t a i l ， e s t a b l i s h e st h ec o n t r o ls t r a t e g y ，a n dd e s i g n st h eb i d i r e c t i o n a ld c d cc o n v e r t e r b a s e do ns o f ts w i t c h i n g f i n a l l yt h ea r t i c l ea l s oc a r r i e so u tt h ee x p e r i m e n ta n d a n a l y z e st h ee f f e c to fe n e r g y - s a v i n go ft h es y s t e m ( 1 ) a n a l y z i n gt h ec h a r a c t e r i s t i co ft h ed r i v i n gc o m p o n e n t so ft h eh y b r i dp o w e r c r a n es y s t e m ，i n c l u d i n gt h ep r i n c i p l ea n dc h a r a c t e r i s t i co ft h ed i e s e lg e n e r a t o rs e t , s u p e r - c a p a c i t o r , e n e r g ym a n a g e m e n ts y s t e ma n db i d i r e c t i o n a ld c d ( 2c o n v e r t o r a c c o r d i n gt o t h ea b o v ea n a l y s i s ，t h e s e l e c t i n go fd i e s e lg e n e r a t o r s e ta n d s u p e r - c a p a c i t o rb e c o m e ss t r a i g h t f o r w a r d ； ( 2 ) a c c o r d i n gt ot h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h eh y b r i dp o w e rc r a n es y s t e m ，d e s i g n n 武汉理工大学硕十学位论文 t h ec o n t r o ls t r a t e g i e s ，i n c l u d i n gd i e s e lg e n e r a t o rs e tc o n t r o ls t r a t e g y , d y n a m i c b r a k i n gc o n t r o lm o d e ，t h es u p e rc a p a c i t o re n e r g yd i s t r i b u t i o nc o n t r o ls t r a t e g i e s ， b i d i r e c t i o n a ld c - - d cc h a r g ea n dd i s c h a r g ec o n t r o lm e t h o d ； ( 3 ) d e s i g n i n g t h e s o f t - s w i t c h i n g b i d i r e c t i o n a ld c d cc o n v e r t e r s ，a n d d e s c r i b i n gt h es y s t e mu s e di nt h ea c t u a lp h a s e s h i f t e df u l l b r i d g es o f t - s w i t c h i n g c o n v e r t e r s , a n ds t u d y i n gt h eb i - d i r e c t i o n a ld c d cc o n v e r t e rc o n t r o ls t r a t e g y , a n d c o n d u c t i n gs y s t e m a t i ce x p e r i m e n t s t ot e s t i n gt h ec o r r e c t n e s so ft h ew o r k i n g p r i n c i p l eo ft h ew h o l es y s t e ma c c u r a c y , t h ec o n t r o ls t r a t e g i e so fh y b r i dp o w e rc r a n e s y s t e ma n db i - d i r e c t i o n a ld c - d cs o f t s w i t c h i n gc o n t r o l l e ri sr e a s o n a b l e t h ea r t i c l e a l s oa n a l y z e st h ed a t ao ft h ee x p e r i m e n ta n ds t u d i e st h ee f f e c to fe n e r g y - s a v i n g k e y w o r d s ：h y b r i dp o w e r ；s u p e rc a p a c i t o r ；b i d i r e c t i o n a ld c d cc o n v e r t e r ；, s o f t s w i t c h i n g ；c o n t r o ls t r a t e g y i i i 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及 取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得 武汉理工大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一 同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说 明并表示了谢意。 签名：纽率日期：丝：丝 学位论文使用授权书 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即 学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅。本人授权武汉理工大学可以将本学位论文的 全部内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制 手段保存或汇编本学位论文。同时授权经武汉理工大学认可的国家有 关机构或论文数据库使用或收录本学位论文，并向社会公众提供信息 服务。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 研究生( 签名) ：蟑导师( 签名) ：鲰日期：趔甲 武汉理工大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 起重机系统节能研究的意义 随着经济全球化的不断深入，国际货物交易量持续上升，港口集装箱装卸 设备得到了迅猛发展。而目前能源价格急剧攀升，供应日趋紧张，环境保护逐 步深入人心，节能降耗已成为了工程机械设备的发展趋势。目前起重机在港口 和越来越多的领域得到广泛的应用，传统起重机高耗能、低效率的缺点日益凸 现，所以研究起重机节能问题，减少柴油机的油耗和废气排放，合理利用能源， 减少能源浪费，具有重要的现实意义。 传统轮胎式起重机工作过程中，存在势能未得到回收利用的问题。重物负 载是先被提升再下放，其下放过程靠重力势能驱动，而通常情况下重力势能通 过能耗制动方式白白被消耗掉了。鉴于起重机这种工作特性，在传统起重机动 力系统设计中，配置合适的储能器件，回收起重机的重物负载因势能变化而形 成的再生能量，将其作为动力补给，可以大大提高能源的利用率，节能空间巨 大，具有巨大的经济意义。 近年来，随着蓄电池和电容器等储能器件的迅速发展，混合动力技术在汽 车领域得到了深入研究和广泛应用。在工程机械领域，人们也尝试着应用混合 动力技术和装置，希望通过这些新技术的研究来降低企业的运营成本，这种混 合动力系统的推广符合国家和港口的战略发展需求，具有重要的社会意义。 1 2 混合动力起重机系统分析 1 2 1 起重机作业特点 ( 1 ) 货物的高势能【1 1 轮胎式起重机搬运的负载质量大，般都有数吨甚至数十吨。由于重物负 载运行的相对位置较高，运动过程中就产生了很大的重力势能。 ( 2 ) 回馈的多样性 轮胎式起重机装卸和搬运过程是靠多个机构的组合运动来实现的，如起升 机构、回转机构、变幅机构等，每个机构运转都存在着能量回馈如何处理的问 题。 武汉理工大学硕士学位论文 ( 3 ) 工况的复杂性 轮胎式起重机大多在室外作业，易受气候条件和场地影响；夜间作业时， 则会受作业范围内的采光等条件的影响。另外，货物的种类繁多，各自要求的 作业方式和工艺也不同，因此工况极其复杂。 综上所述，轮胎式起重机的作业工况决定了它频繁启动、制动、上升和下 降的特性，而且这些动作需要不间断地连续进行，以达到一定的装卸搬运效率。 为了要适应一些较为极端的工况( 如多个机构同时运行) ，而且在短短几秒内完 成启动和制动，起重机往往需要很大的功率。而轮胎式起重机通常以柴油发电 机组驱动，因此它的耗油量很大。 1 2 2 系统特性分析， 轮胎式起重机每一次工作循环都存在着大量的势能回馈，如何充分利用这 部分回馈能量，从而达到降低能耗，减少有害气体的排放，实现港口机械绿色 化的目的，是一个值得深入研究的课题。 目前，基于能量守恒定律人们提出了基于轮胎式起重机的节能研究。起重 机在下放重物负载时根据能量守恒定律： m g h = 丢所v 2 ( 1 - 1 ) 式中重物负载的重力势能转化为动能，重物负载下降运动是靠其重力势能 驱动的，但是起重机又不允许其自由下降，针对这部分多余的机械能目前主要 有两种处理方式：一种方式是用能耗电阻将这部分回馈能量消耗掉，这种方式 下重力势能被完全浪费掉了；另外一种方式是将回馈能量返回到电网中，这种 方法虽然提高了电能的利用率，但是从电能质量的角度来看，它却带来了一个 负面影响，那就是随着电能的回馈，电网中会混入多种高次谐波，这样就使电 网受到了污染，从而降低电网本身的电能质量。所以说，这也不是一种特别理 想的回收能量方式【2 】。 本文提出的混合动力起重机系统在传统起重机动力系统的基础上，配置了 合适的储能器件，回收设备动作过程中因势能变化而形成的回馈能量，并利用 回收的再生能量，作为整个动力系统的动力补给。 轮胎式起重机的节能潜力以及随之所产生的环保效果是其它机械设备所不 及的，而且其成果还可以推广到其它工程机械领域，所以本课题的研究具有重 大的意义。 2 武汉理工大学硕士学位论文 1 3 国内外研究现状 1 3 1 国外的研究 近年来，首先在日本的汽车行业采用混合动力技术进行汽车节能控制。典 型代表有丰田的普瑞斯( p r i u s ) 以及本田汽车公司开发的i n s i g h t 混合动力电动汽 车。其中本i 王l l n s i g h t 手动五档变速车曾创造了3l 汽油行驶1 0 5k m 的纪录，经 投放市场，供不应求。2 0 0 2 年4 月，本田汽车公司又在美国市场上投放了c i v i c 混 合动力汽车。此外，日产与丰田汽车公司联合生产的a l t i m a 混合动力汽车也于 2 0 0 6 年开始在美国市场进行销售【3 】 混合动力技术在汽车上的成功应用，给各个领域的节能和环保研究注入了 新的生机。目前，国外以生产起重机和挖掘机为代表的工程机械企业也开始了 针对混合动力系统的研发，并在系统结构、控制策略、整机配置方面取得了一 定的进展。日本安川公司于2 0 0 6 年8 月在新加坡港投放了2 台配有超级电容器 的轮胎式集装箱起重机( r u b b e r - t y p e dg a n t r yc r a n e ，简称r t g ) ，发动机功率 由3 7 5 k w 改为1 6 0 k w ，节能效率则由1 1 1 3 上升到4 0 以上。2 0 0 9 年2 月 5 日，斗山重工宣布开始研发一种混合动力挖掘机，预计将在2 0 1 4 年完成。研 制成功后，该新型混合动力挖掘机的二氧化碳排放量将减少3 5 ，同时可节约 3 5 的燃料。 2 0 0 9 年3 月，住友建机株式会社推出了一种新型混合动力磁盘起吊式挖掘 机。根据该挖掘机工作时间长、用于能源回收的机械本体旋转频度高的特点， 采用了混合动力技术对其进行改进。2 0 0 9 年4 月，在法国工程机械展上美国凯 斯公司展出了与日本住友公司最新联合研制的c x 2 1 0 b 混合动力挖掘机，该挖 机回转采用电机驱动，配置超级电容器进行储能。与此同时三菱重工也推出了 配备燃油发动机和锂电池的混合动力叉车，其燃油效率比普通车高四成。小松 电机也计划推出适用于混合动力机车的发电机，供新一代叉车使用。此外，日 本的丰田自动织机公司也开始生产使用镍氢电池的混合动力型叉车。同时德国 也正在研发一种新型混合动力挖掘机，预计可降低能耗4 0 4 1 。 1 3 2 国内的研究 工程机械产品都是耗油大户，每一次生产企业在“省油”方面的技术进步， 都成为产品推向市场的巨大卖点。混合动力工程机械的研发与应用需要相关技 术的不断完善，相对于传统产品，混合动力工程机械售价将会较高，其发展仍 3 武汉理工大学硕士学位论文 需要一个漫长的过程。 但是随着能源问题的迫切性，燃油价格的不断上调，混合动力在工程机械 中的应用愈来愈广泛。国内工程机械企业在混合动力方面也展开了相应的研发 与应用。上海振华港机公司在起重机械混合动力系统的研究上取得了一定的成 果，其自主开发的超级电容器的s s a8 群r t g2 0 0 5 年在美国西雅图正式投入使 用。它采用超级电容器作为储能装置，利用其大电流、充放电效率高的特性， 通过对柴油发电机组和超级电容器的容量进行匹配优化，使r t g 能有效的重复 利用再生能量，取得良好的效果。这是上海振华港机公司在美国市场投入使用 的第一台配有超级电容器的环保r t g ，并且已取得了由国家知识产权局颁发的 在国内外市场有效的专利证书。 2 0 0 9 年1 1 月3 日，在第十届北京国际工程机械展览与技术交流会上，三 一重工推出了首台国产混合动力挖掘机，该新型混合动力挖掘机能有效减少能 量消耗，实现能量回收。与传统挖掘机相比可节能3 0 ，同时作业效率提高2 5 以上。 国内山河智能已有装配混合动力系统的叉车产品问世，同时江麓机电科技 公司牵头的“新型混合动力工程机械关键技术及系统 重点科研项目也有望列 入国家“8 6 3 计划。 武汉理工大学吴森、金德先等也在起重机械动力系统研究和改进方面做了 大量的工作，并持有“混合动力电动轮胎门式吊船机 发明专利，这种混合动 力起重机械是回收吊船机工作过程中形成的再生能量，以此来减少柴油发电机 的功率配置，从而达到节能环保的目的。 混合动力技术在电动汽车和工程机械上的研究和成功应用，以及在节能和 环保方面做出的巨大贡献，这些都为混合动力起重机系统的研发与应用提供了 强有力的理论支持。与此同时，随着国内外在储存再生能量方面的混合动力新 技术的发展，伴随着全球环保节能理念的深入，混合动力起重机系统将成为未 来起重机行业发展的一种趋势。 1 3 3 混合动力起重机系统控制策略现状 混合动力起重机控制策略的制定是整个系统开发的核心，因为其直接影 响着能量在系统各个部件之间的流动以及起重机的工作性能和节能比。因此 在研究混合动力起重机系统时，控制策略的研究就显得极其重要，这也是混 4 武汉理工大学硕士学位论文 合动力起重机系统设计与研发的核心所在。 目前混合动力起重机系统处于初步研究阶段，其控制策略的研究主要集中 在柴油发电机组控制、超级电容器能量管理策略等方面。目前柴油发电机控制 主要是控制发动机的转速，从而达到降低发动机的油耗、噪音的目的。常用的 控制策略主要包括全局优化控制策略、最优工作曲线控制策略、自适应控制策 略、模糊控制策略等。超级电容器能量管理策略主要是涉及到d c d c 变换器对 超级电容器充放电的控制，包括超级电容器能量分配、双向d c d c 变换器控制 方式、软开关双向d c d c 变换器等方面的控制策略【5 j 。 1 4 本文完成的工作 论文的研究内容主要有以下几个方面： ( 1 ) 针对轮胎式起重机的工作特点，分析混合动力起重机系统结构和工 作原理，重点对储能器件超级电容器的特性和配置参数进行较为细致的分析， 进而为合理选配柴油发电机组、超级电容器，制定具体的控制策略提供了理论 依据； ( 2 ) 从整个系统的角度，对各部分控制算法进行研究和阐述； ( 3 ) 为了降低开关损耗，设计了符合系统要求的软开关双向d c d c 变换 器，负责对超级电容器进行充放电控制，并针对系统的充放电控制策略进行设 计，将模糊p i d 控制算法与传统p i d 控制算法相比较，根据多次实验结果，提 出最优控制算法，保证整个系统能量转换的效率； ( 4 ) 对整个系统进行了实验，验证了电路工作原理以及各控制算法的正 确性。系统实验中，首先对系统各机构进行额定负载实验，得到一组实验数据 与接入超级电容器后的混合动力系统对比进行节能分析。采用软开关双向 d c d c 变换器对超级电容器进行充放电实验，通过各处的电压电流波形验证电 路原理正确性。通过实验的结果以及相关数据的分析，得到了最终的节能比。 5 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章混合动力起重机系统结构分析 2 1 混合动力起重机系统工作原理 现有起重机械设备的动力方式通常是采用柴油发电机组或电网供电的方 式，而随着储能器件技术的发展，储能器件的性能即存储的能量和输入输出功 率的大大提高，从节能环保的角度考虑，可以利用储能器件( 包括超级电容器 或蓄电池) 作为起重机械动力系统的动力补给。 在本文中，我们提出了一种有效的解决方案，利用超级电容器作为二次电 源，将重物负载回馈的能量储存到超级电容器中，当起重机系统处在大负载工 作状态时，再将收集到的这部分能量送回到起重机系统，使它与柴油发电机组 一起对起重机系统进行供电，如图2 1 所示。 图2 1混合动力起重机的系统结构 混合动力起重机系统主要包括柴油发电机组、起重机系统( 工作电机) 、超 级电容器、双向d c d c 变换器和d s p 控制系统。柴油发电机组通过直流母线 连接到工作电机，超级电容器经过双向d c d c 变换器与直流母线并联。在直流 母线上还连接有稳压电容、能耗电阻等电气元件。 和传统起重机的电气系统进行比较，本文设计的混合动力起重机系统主要 是加入了控制超级电容器充放电的双向d c d c 变换器，以及在一般电机调速基 础上加入了能实现能量回馈功能的直流斩波裂1 1 。 系统原理如图2 2 所示。 6 武汉理工大学硕士学位论文 图2 2 混合动力起重机系统原理图 起重机在下放重物负载时，负载的重力势能转化为电能，超级电容器处于 充电状态。在混合动力起重机系统中，d s p 控制器实时检测直流母线侧电压的 变化，双向d c d c 变换器将由重力势能转化而来的电能( 直流母线侧电压) 转 换为直流电( 超级电容器端工作电压) ，并将其存储在超级电容器中。随着超级 电容器的不断充电，其端电压逐渐上升，超级电容器吸收了起升机构回馈的再 生能量。当重物负载被提升时，超级电容器处于放电状态。这时双向d c d c 变换器将超级电容器内收集到的能量转换为起重机额定工作时需要的直流电， 并和柴油发电机组一起对起重机系统进行供电。 2 2 超级电容器 2 2 1 超级电容器特性 超级电容器( s u p e rc a p a c i t o r ) ，又称为双电层电容器、电化学电容器，是介 于充电电池和铝电解电容器之间的一种新型储能器件。 通常情况下电容量大小主要取决于电极间的距离和电极表面积的大小。超 级电容器电极充电时，处于理想极化状态的电极表面电荷会吸引周围电解质溶 液中的异性离子，使这些离子附于电极表面上形成双电荷层。由于两电荷层间 距离非常小，再加上采用了特殊的电极结构，使电极的表面积大大增加，从而 产生极大的电容量。因此超级电容器与常规电容器明显不同，其容量可达到法 拉级甚至数万法拉，而且能在电极两端电压超过额定电压的过充电状态下不被 7 武汉理，丁大学硕七学位论文 击穿 6 1 。 超级电容器因其存储容量大、寿命长，可以多次充放电的特性，近年来得 到了较快的发展，不仅其技术水平在日新月异，而且使用范围也在不断扩大， 因此被认为是介于充电电池和铝电解电容器之间的新型能源器件。超级电容器 在很多领域都有着广阔的应用前景，如：电动汽车、工程机械、军用装备、电 力系统、小功率电子设备等领域，特别是在电动汽车上的应用具有明显的优势。 我国在超级电容器方面的研究处于相对落后的状态，但近年来随着对超级 电容器的认识逐步加深，清华大学、中科院电工研究所、北京科技大学、上海 交通大学、哈尔滨工程大学等高等院校都展开了超级电容器的基础研究和器件 的相关研制。同时为了加速超级电容器在我国的应用，北京集星、大庆华隆电 子、锦州锦容、江苏双登和上海奥威等公司都开展了超级电容器的研发和批量 生产，并已经在电动汽车、电子脉冲设备等领域得到了应用【7 】。 作为新兴的储能器件，超级电容器与蓄电池和电解电容器相比较，具有明 显的优势，表2 1 为超级电容器、蓄电池、电解电容器典型产品的相关性能指 标对比。从表中可以看出，超级电容器兼具有蓄电池能量密度大和电解电容器 功率密度大的优点，充放电速度快、效率高，循环寿命长，高低温性能好。此外， 超级电容器的材料几乎没有毒性，对环境无污染，而且在使用中无需维护【8 】。 表2 1 超级电容器、蓄电池、电解电容器的性能比较9 】 性能超级电容器 蓄电池电解电容器 循环寿命( 次) 1 0 0 ，0 0 0 3 0 0 1 0 0 0 1 0 6 充电时间1 秒数分钟数小时 l0 6 1 0 3 充放电效率 9 0 , - - 9 5 7 0 8 5 1 温度范围 - 4 0 7 0 。c 室温 - 4 0 1 0 5 0 c 功率密度( k w k g ) 1 - - 2 5o 0 5 o 2 1 0 - - 一1 0 0 0 能量密度( w h k g ) 3 1 52 0 1 0 0 0 1 2 2 2 超级电容器作为储能器件的优势 ( 1 ) 对起重机系统来说，回收和释放能量的过程是在极短时问内完成的， 这就要求储能器件必须具有良好的充放电特性，能够迅速充放电。传统蓄电池 的电能是通过化学反应转化而来的，在充放电过程中会受到参与电化学反应的 离子扩散速度的限制，而且蓄电池具有很高的内阻，因而充放电速率较慢，无 法满足混合动力起重机系统的要求。相比之下，超级电容器是通过在导电碳粒 武汉理工大学硕士学位论文 子的表面积累电荷进行充电的，而且超级电容器的等效串联内阻很小，因此它 的充电电流可以非常高，因而在充放电过程中的能量损耗小，具有很高的充放 电效率，其充放电效率可以达到9 0 以上，蓄电池则为7 0 - - - 8 5 。 ( 2 ) 起重机因其作业特点，需要频繁地起升和下放重物负载，也就是说要 频繁的对储能器件进行充电和放电。超级电容器的充放电寿命很长，而且可以 在充电完成之后立即把所有电量全部释放掉，而对电容本身的耐用性没有影响。 而对于传统的蓄电池来说，放电量不到6 0 也足以使蓄电池产生一定的损坏而 导致容量下降。而超级电容器完全没有蓄电池的使用寿命问题，这样就可以避 免因更换储能器件而对混合动力起重机系统的进行频繁拆卸和调试的问题。 ( 3 ) 起重机工况一般都比较恶劣，温度、湿度等因素变化很大。超级电容 器的性能可以不受环境温度和湿度的影响，很大程度上提高了混合动力起重机 系统适应恶劣工况的能力。 总之，超级电容器兼有常规静电电容器的高功率密度，以及蓄电池所具有 的高能量密度，其特别适合需瞬时高功率的场合，正好符合轮胎式起重机的要 求( 快速起动及点刹对箱) 。因此，混合动力起重机系统采用超级电容器作为储 能器件，进而对回馈能量进行回收和利用，从而达到节约能源，减少排放污染 的目的，是一种解决能源系统的功率密度和能源密度的优异方案。 2 2 3 充放电效率分析 超级电容器与一般的电容器不同，它的充放电过程较为复杂，一般情况下 它的等效电路如下图2 3 所示1 0 1 。 i l 尺- c o 一等效的理想电容器 & 一等效串联电阻( e s r ) 咒一绝缘电阻 图2 3 超级电容器等效电路简图 9 武汉理工大学硕十学位论文 超级电容器主要参数： 工作电压：电容器能够长期连续保持的最高工作电压u 一，最低电压。 本征容量c ：电容器在放电过程中可放出的全部容量，它等效于将放电过 程中一个瞬间的电压与电流的乘积对放电时间进行积分。 时间常数( 砟) ：一个超大容量的电容器如果能够模拟为一个电容和个 电阻的简单串联组合，那么其中电容和电阻的乘积即为时间常数。 等效串联电阻( b ) ：当一个电容器被模拟为包括电感、电容、电阻的等效 模拟电路时，其中的电阻部分即为等效串联电阻。 放电效率呀：在一个特定的充放电循环中，电容器释放的能量占充入的能 量的百分比。 其中，本征容量和最高以及最低工作电压决定了超级电容器能够存储的有 效容量。超级电容器有效储存的能量可表示为： w = i 1u u 嘲2 一u 晌2 ) ( 2 1 ) 设u 墒= g u 嘣，则 w - 去c u 二( 卜9 2 ) ( 2 2 ) z 式中，q 表示超级电容器的放电深度。由上式可知，超级电容器能量主要 由电容值和电压决定，并且与电容值成正比，与电压的平方成正比。 由于超级电容器充放电主要是物理过程，因此放电深度q 对超级电容器的 寿命基本上没有什么影响。不过在实际使用中，超级电容器电压很低时剩余能 量比较少，而且电效率比较低，所以通常要剩余一部分能量，一般取q = 1 2 。 超级电容器的充电效率可定义为： 1 i ll 【2 编= 互_ 一 (2-3)1 了乙u 嗽2 + i 2 r ，d t 同时超级电容器的放电效率可定义为： 充放电效率则为： 铲警 1 0 ( 2 4 ) 武汉理工大学硕士学位论文 i 1 乙u 嗽2 ( 2 i 2 r ，d t 刁= 印1 7 2 = l 二三一 ( 2 - 5 ) i 1l u 嗽2 + ( i 2 r l d t 二 。v 在实际的充放电过程中，由于充放电电流和温度等因素的影响，超级电容 器的内阻和电容值都是动态变化的，因此通常情况下充放电效率也会有所变化。 而且在充放电过程中，双电层离子由于受到电极上异性电荷的静电吸引力 和电解溶液中离子浓度梯度造成的本体迁移力的共同作用而产生漏电流。温度 则是影响漏电流的一个重要因素，温度升高，漏电则会加剧。充电停止后，当 外界没有电磁场作用于电容器时，扩散层中的离子仍然向溶液本体迁移，同时 紧密层离子脱离出来进入扩散层，并进一步迁移到溶液本体，这就形成了电容 器的自放电【1 1 】。 超级电容器一般漏电流和自放电现象比较严重，从而影响到超级电容器的 放电效率。因此为了得出准确的放电效率需根据额定效率进行初步设计并在实 践中进行改进。因此效率可以定义为： 式中：w 为超级电容器对外做功。 2 2 4 超级电容器配置参数 ( 2 6 ) 在参数配置过程中超级电容器可释放的能量为： ，、 = i 1 乙u 嘲2 。【1 - q 2 b ( 2 7 ) z 根据此公式可以初步选择超级电容器的电容值，而放电效率则根据额定放 电时的效率进行估算。 配置的超级电容器需能满足系统瞬时启动、提升、能量回收等大功率充放 电要求。而超过额定电流的大电流放电会降低放电效率，并且可能会使电容产 生过热，以致影响超级电容器寿命。所以配置超级电容器时应参考额定电流值， 以便使超级电容器始终工作在高效区，从而不会影响到超级电容器的使用寿命。 等效串联内阻r 。要求越小越好，一般要求内阻在毫欧级以下。因为内阻越 小，放电效率就越高。如果内阻过高，不仅会导致放电效率下降而且在大电流 武汉理工大学硕士学位论文 放电的情况下会造成热量累积以至温度升高，因此而导致电极材料的活性开始 衰弱，从而会降低超级电容器的使用寿命。 在制作过程中，超级电容器由于材料、制作工艺的差异，在充放电过程中 各单体之间电压会不一致，随着循环次数的增大，这种不一致性会严重影响超 级电容器的性能。各单体之间的电压差别一般不要超过5 ，因为差别过大，在 充电过程中会使得个别单体电压过高，从而会造成超级电容器的失效。 在本文的起重机系统中，直流母线侧的电压为4 0 0 v - 7 0 0 v ，起重机的额定 功率为1 2 0 k w ，每一次重物负载下降过程最长充电时间为3 0 秒，单体电容的 容量为2 4 0 0 f ，假定超级电容器为理想状态。由此推导超级电容器的配置参数 0 2 1 由公式( 2 1 ) w = i 1u u 嘶2 一u 二) ( 2 8 ) 可以得到： c = 3 6 0 0 0 0 0 x 2 ( 7 0 0 2 4 0 0 2 ) = 2 1 8 2 f - 7 0 0 2 5 = 2 8 0 个( 其中单体电压为2 7 伏，为安全起见取2 5 伏) 已知公式： 1 ：一n ( 2 9 ) = 一 z - yj q c c 。：一c ( 2 一1 0 ) n 其中n 为单组电容的个数，c 为单体电容的容量。可以得到： c z ：2 4 0 0 ：8 5 7 f = 一= 2 8 0 ( 2 - 1 1 ) 2 1 8 2 8 5 7 = 2 5 组，因此要达到工作电容2 1 8 2 法拉必须配置三组，经过 这样的配置，可使储能器件可持续的放电时间得到延长。因此本系统选配由三 个同样的储能器组串联组成一个总容量为2 2 f ，工作电压为5 4 0 v 的超级电容器 储能系统。在起重机系统中，超级电容器组安装在起重机后备，除了便于安装 和维修之外，还可作为起重机的配重。 1 2 武汉理工大学硕士学位论文 2 3 控制系统 2 3 1 系统组成 控制系统原理如图2 4 所示。 图2 - 4 控制系统组成原理框图 控制系统主要包括d s p 控制器、p l c 控制器、电压以及电流传感器采集模 块、触摸屏、i g b t 、直流电源模块等。 本控制系统以d s p 2 8 3 3 5 为核心，通过电压以及电流传感器采集模块采集 系统实时的电压和电流值，根据实际工况要求进行决策控制，进而产生或封锁 p w m 信号，并控制制动器释放或抱闸，从而控制整个起重机系统的运彳亍【1 3 】。 p l c 控制器主要采集开关输入量以及手柄给定调速信号，同时模拟量输出 控制柴油发电机组的转速。在整个控制系统中，p l c 控制器分别通过串口a 连 接触摸屏，通过串口b 与d s p 2 8 3 3 5 控制电路进行r s - 4 8 5 通信。而触摸屏主要 显示系统各机构的实时电压、电流、功率等状态量，并作为人机接口对系统相 关参数进行设置。 2 3 2d s p 控制器 控制系统主要由d s p 控制器和p l c 控制器组成，它们之间进行r s - 4 8 5 串 口通信。其中d s p 控制器选用t i 公司生产的t m s 3 2 0 f 2 8 3 3 5 数字信号处理器， p l c 控制器选用西门子公司的s 7 2 0 0 控制器，由c p u 2 2 6 模块和数字量模拟量 1 3 武汉理工大学硕士学位论文 扩展模块组成。 t m s 3 2 0 f 2 8 3 3 5 数字信号处理器是t i 公司推出的一款晟高频率可达 1 5 0 m h z 的3 2 位定点d s p 控制器，它具有精度高、速度快、集成度高等特点， 是目前控制领域最先进的处理器之。其广泛运用在工业自动化控制领域，如 运动控制、过程控制、电机控制、变频控制、伺服控制、电力电子、电子测量、 流量测量、u p s 、开关电源、逆变电源、汽车、机械、磁盘驱动、机器人、数 字滤波、振动分析等等。 r5 苗嚣：瞄i 掣 ；掣 ! 枉 掣4 氧 虱 丁丁 ；幅 2 氧 ，誊 、 ：蚓 d _ g - =i2 tms20f28335dsp能框图 武汉理t 大学硕士学位论文 t m s 3 2 0 f 2 8 3 3 5d s p 功能框图如图2 - 5 所示，它还具有以下特点【1 4 1 ： ( 1 ) t m s 3 2 0 f 2 8 3 3 5d s p 具有1 5 0 m h z 处理能力，3 2 位浮点处理单元； ( 2 ) 集成了2 5 6 k * 1 6 的f l a s h 存储器，3 4 k 木1 6 的s a r a m ，1 k * 1 6 的o t p r o m ，8 k * 1 6 的引导r o m ； ( 3 ) 1 2 8 位的密码保护，保护f l a s h o t pr o m 和l o l 1s r a m 中的代 码，防止系统固件被盗取； ( 4 ) 6 通道的d m a ( 包括a d c ，m c b s p , e p w m ，x r n t f , 和s a r a m ) ，数 据处理时更快更高效； ( 5 ) 其中有1 6 路1 2 位a d c ；多达1 8 路的p w m 输出，包含6 路t i 特 有的更高精度的p w m 输出( h i 冲w m ) ；l 路s p i ；3 路s c i ；2 路e c a n ；1 路i 2 c ；8 8 个通用f o 口； ( 6 ) 先进的仿真调试功能，支持分析和断点功能，硬件支持实时仿真功能。 2 3 3p l c 控制器 p l c 控制器选用西门子s 7 2 0 0 系列中的c p u 2 2 6 模块，该模块可再连接7 个扩展模块。它具有2 路独立的2 0 k h z 高速脉冲输出，1 3 k 字节程序和数据存 储空间，同时具有p i d 控制器。 c p u 2 2 6 的主要特点如下： ( 1 ) 2 4 路数字量输入，1 6 路数字量输出，拥有6 个高速计数器，2 5 6 个 定时器，程序空间8 1 9 2 个字节，数据空间5 1 2 0 字节，2 5 6 个位存储位； ( 2 ) 拥有两个r s 一4 8 5 的通讯口，具有p p i 通讯协议、m p i 通讯协议和自 由方式通讯能力；、 ( 3 ) 布尔量执行速度3 4 1 x s 、定时器计数器执行速度4 6 p s 、传送字的执行 速度5 0 p 卜6 4 p s 、单精度数学运算执行