Abstract:
This paper proposes a hybrid energy system, which consists of a diesel-engine generator and a supercapacitor, for improving performance of a rubber tyred gantry crane (RTGC). The supercapacitor contributes to the energy recovery associated with regenerative braking in 'Hoist-Down' braking operation and to the rapid energy consumption related with acceleration in 'Hoist-Up' operation of the RTGC. Hence, it does save energy which is conventionally wasted by a braking resistor. Moreover, the large engine generator is replaced by the much smaller one, because the supercapacitor reduces high power demands away from it. For the power conversion between the supercapacitor and the dc link, a three-leg bidirectional dc-dc converter, which has the same structure as the commercially available three-phase inverter, is used. Two kinds of simulations are performed to study the behaviors of the proposed system under the worst operating conditions. The performance of the proposed hybrid energy system is evaluated through several experiments with a real RTGC. The proposed system can cut down the fuel consumption by 35% and the emission of engine by more than 40%
SECTION I.
Introduction
The SUPERCAPACITOR is being applied in many fields, such as power smoothing in elevator applications, peak power demand and regenerative braking in hybrid-electric vehicles, and voltage sag compensation in unified power quality controller (UPQC) [1]–[2][3][4]. It has two outstanding features; its energy density is approximately one hundred times higher than that of the conventional aluminum electrolytic capacitor, and its power density is approximately ten times higher than that of the battery [5]. This storage device can be applied as an energy buffer to the electric power system of a rubber tyred gantry crane (RTGC) which is used to load and unload containers from trucks in such ports as Kwang Yang, Osaka, Hong Kong, etc. [6].
The RTGC has rubber tires like the bus or truck. It moves around on the yard. Thats the reason why it cannot draw the electric power from the utility grid. Therefore a diesel-engine generator (GenSet) is used as its power source. A key factor to determine the size of the GenSet is the power needed in a hoist-up mode when the container is lifted up. Considering the hoist-up operation time which occupies less than 20% of the whole operation time, most operations do not require such a large engine power. Only one third of the present engine power is enough to sustain the average hoist operation as well as the trolley and gantry operations. Moreover, most of the time in the hoist-up operation is dedicated to the constant speed motion in which power demand is less than 60% of the maximum power demand. The peak power demand lasts only 1 or 2 s at the end of acceleration. Also the regenerated energy in the hoist-down operation is wasted by dynamic braking.
In this paper, a hybrid RTGC using a supercapacitor-based energy storage system is proposed as shown in Fig. 1. The bank of a supercapacitor is composed of several modules arranged both in series and parallel. The principal function of supercapacitor in this application is to level the power of the electric drive so that the GenSet, the main source of energy, can be sized to provide only the average power requirements. Equipped with a supercapacitor selected adequately, the size of the GenSet can be reduced to about a third of the conventional one. It is connected through a three interleaved bidirectional dc–dc converter to the dc link to supply energy in the event of peak power demand and store energy in the event of regeneration. For optimal load sharing between the engine and the supercapacitor, an indirect control method using an estimated frequency of the engine generator is proposed. The frequency estimation is based on a single phase locked loop (PLL) with all-pass filter (APF) [7]. But this paper proposes a method in which the natural frequency of the APF is updated according to the estimated frequency. The behaviors of the proposed system under the worst operating condition are studied through the system-level and circuit-level simulations. And then the several experiments with a real RTGC are done to verify the effectiveness of the proposed hybrid energy system.
Fig. 1.
Hybrid RTGC system with a supercapacitor as the energy storage device.
SECTION II.
Energy Storage System Using Supercapacitor
A. Power Demand of RTGC
The RTGC has typical load cycles described in Fig. 2. It has the high power demand during the hoist-up operation in which the container is lifted up, as well as the high power restitution during the hoist-down operation in which the container is lifted down. Thus the supercapacitive storage device should not only supply the energy needed in motoring, but also absorb the energy recovered in regeneration. One third of the conventional size of GenSet is enough to sustain the power demand in the trolley mode, the horizontal motion between column six and column one.
Fig. 2.
Typical load cycles of RTGC (① hoist-up ② trolley-left ③ hoist-down ④ hoist-up ⑤ trolley-right ⑥ hoist-down).
Fig. 3.
RTGC Simulation: (a) power demand P LOAD , supercapacitor power P SC and engine-generator power P GEN_DC , (b) internal voltage V sc0 and output current of supercapacitor I sc , and (c) hoist and trolley speeds (HU: hoist-up, HD: hoist-down, TL: trolley left, TR: trolley right).
The waveforms shown in Fig. 3 are the representative power, voltage, current and speed profiles of a RTGC for the worst case; a container is first moved from the fourth layer and sixth column to the first layer and first column and then moved back to the starting point. These are the simulation results of a real 4 1 RTGC, where t
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摘要：本文主要讲述了一种混合动力系统，主要构件包括柴油发电机和超级电容器。主要用于提高龙门吊的性能。超级电容器的功效在于对能量的回收与再生，当龙门吊进行起升加速与制动的时候。因此，它节省了传统制动电阻浪费掉的那一部分的能源。此外，大型发电机将被相对较小的发电机取代，因为超级电容器的使用降低了最高功率的要求。为了实现超级电容器和直流母线之间的转换，将会使用一种和一三腿的双向DC-DC变换器具有相同结构的转换器。并且会在最恶劣的条件下对系统的行为进行两种模拟研究。通过对一个真实的龙门吊进行试验来评价这个混合动力系统的性能。结果表示该混合动力系统可减少35%的燃料消耗和40%的排放。
第一节
介绍
超级电容器已被广泛应用于许多领域，如功率平滑电梯中的应用，电力需求高峰和混合动力电动汽车的再生制动系统，在统一电能质量控制器（UPQC）中做电压暂降补偿等。它有两个突出的特点，其比传统的铝电解电容器能量密度高约一百倍，其功率密度约为电池的十倍之高。该存储设备可以作为一个能量缓冲的橡胶轮胎式龙门起重机的电力系统（龙门吊），用来装卸在Kwang Yang，大阪，香港等港口集装箱卡车。
该龙门吊有橡胶轮胎和公共汽车或卡车比较像。它只能在院子内移动，这就是为什么它不能从公用电网获取电力的原因。因此，使用柴油发电机（发电机组）作为其动力源。确定机组的大小的一个关键因素是集装箱在被吊起时对能量的需求。考虑到提升操作时间占整个操作时间的20%不到，大多数操作不需要这样大的发动机功率。只要现有发动机功率的三分之一，就足以维持平均启闭操作以及小车和龙门操作。此外，在提升操作中，大部分时间是固定的以恒定速度运动，此时的功率需求小于的最大功率需求的60%。峰值功率需求在加速度结束时只持续1或2秒。动态制动也降低了启闭过程中的再生能量。
在本文中，采用了基于超级电容器储能系统的混合龙门吊如图1所示。超级电容器的储存是由几个模块的串联和并联组成的。超级电容器在该应用程序的主要功能是水平的电驱动功率，发电机能量的主要来源，可以根据电机功率提供平均功率。配备一个合适的超级电容器，与发电机组的大小相比，可以减少约三分之一。它是通过一个一三交错双向直流-直流转换器连接到电源供应的峰值功率需求，并在再生的情况下存储能量来实现。通过优化发动机负荷和超级电容器之间的共享，提出了一种通过估计发电机的频率来间接控制的方法。频率估计是基于一个单一的锁相环（PLL）和全通滤波器（APF）。但是，本文提出了一种方法，有源电力滤波器的固有频率是根据估计的结果来更新频率。所以系统要对在最坏的操作条件下的行为进行研究，并通过系统级和电路级模拟。然后以一个真正的龙门吊做几个实验来验证所提出的混合能源系统的有效性。
图1 一个超级电容作为储能装置的混合式龙门吊系统。
第二节
使用超级电容器的能量存储系统
- 龙门吊的电力需求
该龙门吊具有典型的负载周期，如图2中所示。在提升操作过程中对容器的提升有很高的功率需求，以及在提升过程中，容器被提升时有较高的功率恢复。因此，超级电容存储设备不仅要供应所需要的汽车的能量，而且要能够回收再生的能量。发电机组的尺寸为常规的三分之一就足以维持小车模式下水平运动在六列和第一列之间的电力需求。
图2 典型的负载周期（①龙门吊起吊②小车左③下降④起吊⑤小车右⑥吊下来）
图3所示的波形代表功率，电压，电流为最坏的情况下，龙门吊剖面和速度；容器是第一个从第四层第六柱第一层和第一列，然后回到起点。这是一个真正的4 1龙门吊的仿真结果，在“4＋1”意味着五层和一层附加层第一层上面是水平运动，以半负荷（一个25吨的集装箱）。假定一个120千瓦的发电机组提供平均功率要求。图3（a），P负载所需的功率（或再生）在龙门吊操作，P SC是超级电容器的ou3mtput功率，P gen_dc是由发电机组供电。提供两功率P和P gen_dc负荷之间的差异（或存储）的超级电容器。在模拟的最大功率需求达到290千瓦。在第一次提升了操作速度恒定区的电力需求240kw。在这种情况下，需要的能量从超级电容器为2.9 MJ。所需能量的最坏的情况下，满负荷是3.4 MJ。
图3 龙门吊的模拟
B.系统规范
从上面的仿真结果来看，超级电容器电池数选择五百左右（串联和两平行数百），在此基础上，每个超级电容电池的最大电压为2.3 V，其最小电压为0.76 V，因此，在这项研究中使用的超级电容器电容法拉几十和等效串联电阻（ESR）约100Omega;。最大存储能量成为约4 MJ。超级电容器的电池总重量约400kg。原来的发电机组三分之一是用来提供平均功率需求。共直流母线电容通常用于逆变电源栈有轨/无轨电车/龙门电机不少于23mf。
C.双向直流-直流变换器的拓扑结构
实现双向DC-DC变换器可以有大量的变换器拓扑结构。此应用程序需要处理几百安培的负载电流。高电流要求是最好的满足使用并行转换器模块[ 8 ]。如图4所示三相逆变器堆栈有许多优点。首先，它是商业上可用的。其次，转换器可以以交错方式操作，因为它有三个降压-升压转换器模块。因此，电流分布在三个转换器模块。转换器模块的开关序列之间的适当的相移，三个开关纹波彼此取消大大减少输入和输出电流纹波。第三，模块化的方法提供了系统对单个模块的故障容错。最后，包括三个电感器的整个堆栈的大小是小于一个降压-升压转换器。
三个并联电感由金属粉末制成。他们从220小时到110mu;电感mu;H随着电流增大到300 A设计了变换器始终工作在连续导通模式（CCM）变化
双向直流–直流变换器图4是运行在升压模式中，电力是从超级电容器级提供（低电压阶段）的直流母线电容器级（高电压阶段），在降压模式中，电力是从直流链路电容器的电容器级阶段。
图4 双向DC-DC变换器
D.详细直流-直流转换器仿真
双向直流–直流变换器研究的超级电容器充电和放电特性进行了详细的仿真分析，利用MATLAB／Simulink和PLECS仿真包[ 9 ]进行。图5显示了用于调节直流母线电压630 V，而超级电容器的直流链路提供220千瓦的能量的电压和电流控制的直流–直流变换器的仿真结果；放电模式。在这张图中，内部电压和终端电压的电容器可以用之间的关系：
其中V配合是超级电容器的内部电压，V SC是超级电容器的端电压，ESR是超级电容的等效串联电阻，和我的SC是超级电容器的输出电流。
图5 在超级电容器放电的情况下调节直流母线电压的直流–直流变换器的仿真结果
第三部分
控制策略
A.发电机组负荷和超级电容器之间共享
优化发电机组的燃料的使用，这是需要控制的发电机组和超级电容器之间的负载分担。为了达到最佳的负载分担，即控制发电机的输出功率，这是了解发电机组发电的必备资料。在本文中，没有对不是能力的直接测量，提出了降低复杂性和组件使用的发电机组的速度下垂特性的间接控制方法。
B发电机组速度下垂特性
基本上，一个发电机组有两个控制回路；调速器和自动电压调节器（AVR）。调速器通过调节节气门角度来调节发动机转速。发动机转速是指输出电压的频率。AVR单片机通过控制励磁电流来调节发电机的端电压。在我们的应用程序中，发电机的输出电压为480 Vrms和频率为60 Hz。
通常，调速器具有速度下降特性[ 10 ]。当发电机的输出功率增加时，它降低了参考速度，如图6（a）所示。如果频率是已知的，那么可以估计的发电功率。进行了一些实验，得到的速度下降特性，根据输出功率，如图6（b）。并将其建模为如下方程。
图6 根据发电机输出功率的速度下垂特性：（a）稳态特性和（b）功率与频率之间的传递函数
C.使用建议的单PLL频率估计
发电机频率可以使用单PLL方法估计，如图7所示。
图7 单环与APF和频率调整
图8 以离散的形式来实现有源电力滤波器
这两个电压（V公司，V ^的DS）转化为同步旋转dq帧得到同步d轴电压V ^ E DS使用估计的角度theta;^。发电机频率估计使用PI调节器和前馈项如下：
在omega;FF是前馈项和F ^创是估计的频率发生器
本文提出了有源电力滤波器以频率变化到频率调整算法。换句话说，根据发电机的频率变化，有源电力滤波器的固有频率更新如下：
有源电力滤波器是实现的离散形式如图8所示。其方程可写成如下：
其中输入u（n）= V AB（n），输出Y（n）= V s的DS（n），和系数beta;如下：
D.频率和电压控制器
使用来自实验的发电机模型，PI频率控制器的设计如图9所示。下垂频率估计计算如下：
其中F gen_nl是发电机的空载频率f ^创是估计的频率发生器。
图9 频率控制器框图；Plowast;SC是超级电容器的输出功率，P负载从升降小车电机的负载功率，P公司是发电机的输出功率。
使用的直流链路电容的动态，PI电压控制器设计如图10所示。
图10 电压控制器框图；P直流是直流环节电容器的输入功率
E.两个控制器之间的转换
图11显示两个控制器之间的转换方案的示意图；频率和电压控制器。
图11 两个控制器之间转换方案示意图；有效载荷和容器的重量。
在电压控制模式中，参考直流母线电压设置在发电机输出电压的二极管整流值的上方。在这种情况下，只有超级电容器供应上升运动所需的能量，或者节约能源再生机向下运动。但是，如果在提升运动的需求功率大于超级电容器的最大输出功率，发电机自动提供所需的功率根据直流母线电压的下降；双电源同时供电，超级电容器作为主电源。
在频率控制方式下，控制发电机提供额定功率。当它工作在提升模式，超级电容器提供额外的动力，因为需求功率大于发电机的额定功率；双电源同时供电，发电机作为主电源。当它在小车模式或保持在空闲模式下，超级电容器电荷本身使用发电机的能量。
第四部分。
一个真正的龙门吊实验
一种真正的龙门吊如图12所示的超级电容器储能系统被设计来验证所提出的方法的可行性。超级电容器是由几个模块安装在串联和并联作为存储设备或辅助电源。它是通过一个250千瓦的双向直流-直流转换器连接到直流电源，以提供能量的峰值功率需求的起升操作和存储能量的情况下，起重机的下运行再生的事件。机组的等级为三分之一的常规作为主电源。整个控制算法在TMS320VC33实现数字信号处理器（DSP）。本控制器的采样周期为1 ms，电流采样周期为100 s。
图12在龙门吊的超级电容器储能系统。
直流变换器的交错操作
图13显示了在与参考电流I = 100 A sc_refminus;如图13所示充电的情况下直流–直流变换器实验电流波形（一），超级电容器的纹波电流是在瞬态的一半，单个电感器。图13（b）显示，超级电容器的电流纹波小于在稳定状态下，个体的电感五分之一。
图13 直流变换器的交错操作
图13在与参考电流I = 100 sc_refminus;充电情况下直流–直流变换器实验电流波形：（a）（b）的瞬态响应和稳态响应（我L1的电感的1，电流I L2：电感的2，相移120°，我sc_s：电流采样目前的超级电容器，我sc_m：测量的电容电流）。
发电机频率的估计
为了验证所提出的PLL方法的性能，发电机频率的估计结果进行比较的过零检测器。整个估计算法在20微秒内执行，意味着过零检测器的分辨率为0.430°。
图14显示的实验波形估计的发电机频率使用建议的单PLL方法。在稳定状态下，估计误差小于0.1 Hz。
图14 实验波形估计的发电机频率
利用所提出的单环频率估计实验结果（F创：估计频率的建议单锁相环，F gen_zc：估计频率的零交叉检测器，V AB：发电机的线电压）。
图15显示了在提升机的实验波形，对混合龙门吊小车和葫芦下操作时，容器的重量为10吨。超级电容器电压开始充电到565v和它工作在电压控制模式。当起重机开始起吊集装箱（I区），电压控制器通过690v调节直流母线电压，但它跌到了635v，由于超级电容器的电流饱和的最大电流为限制了超级电容器的输出功率。因此，发电机自动供电需求的超级电容器和输出功率之间的差异。它的频率下降，直到结束的起升操作。在12S，超级电容电压下降到低于vsc_lo = 350V激活频率控制模式。在这一时期结束时，超级电容电压下降到275 V时，起重机在水平方向移动的容器（区域II：小车运行），小车电机不需要太多的力量。因为它是在运行频率控制模式，从发电机流向电容器功率量大。在超级电容器充电超过vsc_mid = 440 V，电压控制模式被激活。当起重机提升容器（区域III）时，从提升机电动机再生的功率流向和充电直流母线电容器。和电压控制器调节直流母线电压为690 V，再生能源的流向和收费的超级电容器。当超级电容充电到565 V，它停止充电。因此，再生功率提高直流母线电压，使动态断路器操作。换句话说，这个多余的能量被制动电阻消耗。
图15 提升机的实验波形——用10吨的集装箱龙门吊的杂交实验波形；葫芦，小车，提升了运营。
图16显示了在提升机的实验波形，对混合动力车和吊车下操作龙门吊当容器的重量是40吨。最初，它工作在电压控制方式调节直流母线电压为690 V时，起重机开始起吊集装箱（I区），频率控制模式被激活，因为有效载荷大于payload_ov = 28吨。频率
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