在RTG起重机上使用一种基于FC和SCs的新型混合推进系统外文翻译资料

1. Introduction

Currently, factors such as the continuously growing oil production, the higher energy demand, especially in developing countries, and the rise of fossil fuels prices, have become an ongoing concern in the transport sectors. Due to these facts, new technologies to reduce the greenhouse gases emission have been developed and promoted in every single market. One of the main leaders of this movement is the Port Authorities and Terminals operators, which is searching for decreasing CO2 emissions. A clear example of this tendency can be found in the Port of Los Angeles. Most terminals around the world are using RTGs to handle containers within terminal yards. A vast majority of these cranes are powered by diesel power packs (DPPs), rating more than 400 kW each, with a rated consumption of 15 L per hour which represents almost 40 kg CO2/h. Currently, the rated efficiency of a diesel cycle cogeneration system is around 40%.

Some actions have been developed to reduce diesel consumption in RTGs or cranes: using SCs, batteries, and flywheels separately or together including downsizing the diesel motor. SCs can be considered as the most suitable option for applications with fast demand during start/stop sequences. In addition, RTGs usually generate power in a short period during braking (regenerative braking), and SCs are able to absorb this peak of power in order to reinject the stored energy to the system in the next cycle. An overview about SCs applied to regenerative systems can be found in Ref. [10]. In Ref. [11] the authors did not deal directly with the hybridization of cranes, but they proposed a network with ESS of electrified cranes instead.

Other container terminals prefer to use electrified RTGs. This is the new worldwide tendency. However, it is not feasible everywhere due to poor power supply infrastructures in some emerging countries, which makes it difficult to provide the energy required for such electrified RTGs.

This paper proposes the use of a new hybrid propulsion system based on FC and SCs for RTG cranes, replacing the current DPPs which are less efficient than the FC transport vehicles, since there is no Carnot limitation. This is the main novelty and contribution of this paper. A hybrid powertrain based on DPP and SCs for the same RTG was studied and evaluated by the authors in Ref. [6]. In this paper, a new hybrid powertrain without DPP is proposed, designed and evaluated from a technical-economic point of view, which represents a further step to the work published in Ref. [6].

Hydrogen for FCs can either be obtained by reforming conventional fuels, such as natural gas, or by water electrolysis. As explained in Ref,[12] electrolysers can be used to generate hydrogen directly at high pressure. The hydrogen then passes into a high-pressure store without any need for pumping.

To reduce the cost and improve the performance of FC vehicles, a hybrid propulsion system composed of a FC as a primary energy source and a battery or SCs as ESS has been commonly used. Advantages of this configuration include the following: (1)fast additional power is provided during peak demand periods, such as acceleration, since the FC has a time-delayed response and a limited power output; (2) the size of the FC is reduced, and thus the cost, since the energy storage devices are generally cheaper than a FC operating on a per-kilowatt basis; (3) the recovery and storage of energy during regenerative braking (when the load is being lowered) in the energy storage device are enabled, which increase the overall efficiency of the vehicle; (4) this control strategy ensures that the FC operates more often in the high-efficiency region.

Among the types of FC, PEM FC is considered a suitable option for container transport because of its high power density, specific power, low operating temperature, efficiency, good dynamic behaviour, relative ability to rapidly adjust to changes in power demand, and sizing flexibility. Batteries have a higher specific energy than SCs, and thus can provide extra power for a longer period. Typically, SCs commercially available today deliver only one-tenth of the energy of a battery of comparable weight. Nevertheless, SCs deliver energy much faster than a battery. Besides, they have a high cycling life, over 105complete cycles, and are rapidly gaining ground in a market already being courted by battery manufacturers.

However, it is also true that vehicles powered by FC and SCs are rarely used because of the high powertrain cost. For that reason, a hybrid propulsion system with FC and battery is the option chosen by the few projects that have used a FC propulsion system to operate high-power locomotives, railcars, or tramways.

To the best of our knowledge, a complete review of the literature related to hybrid systems powered by FC and SCs has not shown any reference similar to the work presented in this paper. Most of the published works are not focused on a powertrain including FC and SCs as the main power sources for supplying the high power demanded to vehicles or industrial machinery, or they do not describe in detail the methodology used in the design and control. Some examples of works with different configuration and power demand can be found in Refs. [24-32].

The hybrid system proposed in Ref. [24] was composed of a high-power FC as the primary power source, SC as a support power source and also an auxiliary power supply (feeding auxiliary equipment such as lighting, etc), which was controlled by a multimode equivalent energy management system (EMS). The same configuration was also presented in Ref. [25] where a 3kW auxiliary power supply unit (composed of FC and SC) was developed for an aircraft. The energy management was based on a modified droop control as a decentralized EMS to split the load power into its high and low frequency components and allocate them to the FC and SC

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1. 介绍

目前，石油产量持续增长，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。这种趋势的一个明显例子可以在洛杉矶港找到。世界上大多数码头都在使用RTGs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40千克二氧化碳/小时。目前，柴油循环热电联产系统的额定效率约为40% 。

为了降低RTGs或起重机的柴油消耗，已经采取了一些措施：分别或同时使用SCs、电池和飞轮，包括缩小柴油发动机的尺寸。SCs可以被认为是在启动/停止序列期间具有快速需求的应用的最合适的选择。此外，RTGs在制动（再生制动）过程中通常会在短时间内产生功率，SCs能够吸收这一峰值功率，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杂交，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RTGs。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，这不是在任何地方都是可行的，这使得很难提供此类带电RTGs所需的能源。

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DPPs，DPPs的效率低于FC运输车辆，因为没有卡诺限制。这是本文的主要创新点和贡献。文献[6]的作者对基于DPP和SCs的同一RTG混合动力系统进行了研究和评价。本文从技术经济角度出发，提出了一种新型无动力总成混合动力系统，并对其进行了设计和评价，这是对参考文献[6]中发表的工作的进一步推进。

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。

为了降低燃料电池汽车的成本和提高其性能，通常采用燃料电池作为一次能源和电池或电池作为燃料电池的混合推进系统。这种配置的优点包括以下：（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）FC的大小减小，因此成本降低，因为储能装置通常比FC运行时便宜在每千瓦的基础上；（3）在储能装置中启用再生制动（当负载降低时）期间的能量回收和存储，从而提高车辆的整体效率；（4）此控制策略确保FC在高效区域更频繁地运行。

在各种类型的燃料电池中，PEM燃料电池因其高功率密度、比功率、低工作温度、高效率、良好的动态特性、快速适应电力需求变化的相对能力以及尺寸的灵活性而被认为是一种适合集装箱运输的选择。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电力。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个完整的循环，并且正在迅速地在一个已经受到电池制造商追捧的市场上站稳脚跟。

然而，由于动力总成成本较高，由FC和SCs驱动的车辆很少使用。因此，少数几个项目选择使用燃料电池推进系统来运行大功率机车、有轨电车或有轨电车，因此选择使用燃料电池和电池的混合推进系统。

据我们所知，对FC和SCs驱动的混合动力系统的文献进行了全面的回顾，没有显示出与本文工作类似的参考文献。大多数已发表的研究成果并没有集中在以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]提出的混合动力系统由一个大功率FC作为主电源，SC作为辅助电源，以及一个辅助电源（如照明等辅助供电设备）组成，由一个多模等效能量管理系统（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垂控制作为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SC和FC。参考文献[26]中提出了一种方法来确定SC和FC驱动的混合动力汽车的大小。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功率管理策略，将所提出的结构建模为端口控制哈密顿系统，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混合式挖掘机作为一种有吸引力的长期未来选择。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FC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的固有限制，导致相对缓慢的瞬态响应，车辆采用SC-as-ESS来覆盖快速功率变化。在所有这些研究中，FC车辆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、其额定功率和有限的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]提出了一种FC/SC动力系统，该动力系统配置了一个硬约束动力系统，为能源管理策略提供了一个在燃油经济性和可驾驶性方面不利的情景。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）为主要能源的电动汽车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6times;125Ve63FSC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。这种方法的新颖性是合理的，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周期试验对比。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，因此提高了能量利用率。

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 RTG混合式起重机的环境管理系统。第5节利用柴油起重机和混合FC-SC起重机的实际工作循环对其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），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）。堆栈的高度是一个5层行。该起重机可装卸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起重机循环如下：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）将集装箱吊起，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，本文着重研究了集装箱在堆垛内定位作业中的主要运动，即起重机和小车运动。

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。

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810VDC以馈送DC总线。此外，与直流母线相连的逆变器为提升机、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850VDC时，斩波器被连接，因为在必须降低容器时，斩波器作为提升电机的发电机。这个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，则会在电阻组中燃烧。

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。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（门式起重机和提升机），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提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。

4．新配置的EMS

在任何给定的RTG起重机动力系统配置中，EMS是最重要的特征之一。一个合适的能量管理系统必须能够管理起重机不同能源之间的能量流，控制混合动力系统的关键参数。在所研究的配置中，这些参数是DC总线电压和SC的SOC。因此，所提出的EMS能够管理从FC到DC总线的电压和电流以及SCs和DC总线之间的功率交换。如有必要，它还必须激活制动电阻，并控制DC总线电压和SC的SOC。EMS的控制方案如图6所示。

占空比的控制概念是基于起重机直流母线电压的调节。此外，SC的SOC的控制通过两个级联控制回路来执行（图6a）。

5．仿真结果与讨论

在这一部分中，通过使用RTG起重机的实际工作循环进行仿真，将新的FC-SC混合动力配置以及所提出的控制方案的性能和可行性与当前的柴油机配置进行了比较。首先，对RTG起重机的柴油机结构进行了验证，给出了目前柴油机结构主要参数的计算结果。然后，给出了新的混合结构所取得的结果并对其进行了评价。最后，对两种构型进行了比较，并对混合构型的经济可行性进行了评价。

图7验证了由柴油发电机供电的RTG起重机的当前配置所实现的模型。对于最重的集装箱（50吨集装箱，65吨，包括吊具和提升绳，100%负载），图7描述并比较了从RTG起重机收集的真实数据和从提升电机70 s运动模拟获得的数据。实际速度、扭矩和功率如图7所示。利用西门子公司的SIADIS（Drives）软件和安装在起重机机房的PLC对上述参数进行了测量。结果证明了RTG起重机模型的有效性，因为仿真值与实测值有很大的相似性。

图8a表示总负荷（起重机所需功率，包括辅助服务）和柴油发电机所产生的电力。在这种情况下，柴油发电机是唯一的能源，因此它必须产生所需的全部电力。此外，在制动过程中，没有ESS意味着直流母线中的所有可用功率必须在制动电阻器中消散（图8a）。在这种配置下，不存储再生功率。因此，如图9a所示，在制动过程中，直流母线电压趋于升高，从第二个40到第二个60，从第二个85到模拟结束。当电压达到850V时，制动斩波器启动，再生能量在制动电阻中燃烧。注意，这是用于直流母线电压的唯一控制。

6．结论

目前，作为大城市的中心，码头堆场对其污染和噪声的增加越来越关注。在这种情况下，采用FC和ESS相结合的混合动力系统驱动起重机是解决这些问题的一种可行的方法。本文提出并评估了一种基于FC和SCs的新型混合结构，以及一种目前在西班牙阿尔吉西拉斯港码头堆场运行的柴油机驱动的RTG起重机的新型EMS。

在起重机的拟议配置中，一次能源是一个PEM-FC和一个作为ESS运行的SCs组。采用促进单向DC/DC变换器将FC连接到直流母线上，控制FC的功率。对于SC，双向DC/DC转换器被控制以保持DC总线电压在期望值附近，同时也能控制SC的SOC。在这项工作中，考虑了两个负载，与小车和提升系统相关的负载，以及与起重机辅助服务相关的负载。

仿真结果证明了所建立的模型对RTG起重机的适用性，以及所实现的新型EMS对FC和SCs控制的正确性。多亏了两个级联控制回路，EMS能够在控制SCs的SOC的同时，将直流母线电压保持在期望值附近。通过对起重机工作循环的仿真，说明了该结构的技术可行性及其相对于实际柴油机结构的改进。

这些结果也证明了混合动力系统满足起重机适当工作循环的能力。由于新配置具有更好的效率（起重机的能源效率提高了近三倍，294%），制动电阻中消耗的能量减少了（55%），直流母线电压控制得到显

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