基于超级电容的轮胎式龙门吊集中式能量管理系统的制作方法

1.本实用新型涉及港口轮胎式集装箱龙门吊供电系统领域，具体涉及一种基于超级电容的轮胎式龙门吊集中式能量管理系统。


背景技术：

2.轮胎式龙门吊(rtg)是目前专业化集装箱码头堆场中的主要装卸设备，其在用数量占在用场桥总数量的85％左右。它具有机动灵活性好、能够全堆场调动、装卸效率高、空间利用率高等优点。
3.传统的龙门吊以柴油发电机组作为动力，运行过程中存在能耗高、运行成本高、污染重、空耗大等缺点，随着节能环保理念的深入，龙门吊已经实现“油改电”，即通过电网市电提供龙门吊工作用电，常用方式是高架滑触线供电。同时，龙门吊吊着集装箱下降过程中产生的再生制动能量也回馈到电网，实现能量的回收利用。
4.但是，市电轮胎式龙门吊在运行过程中还存在以下问题：
5.1)龙门吊带着集装箱频繁起升过程中，由于额定起升重量达40吨，满载起升速度23m/min，会产生瞬时300kw以上的高功率，从而对供电电网产生较大的冲击；
6.2)龙门吊带着集装箱频繁下降过程中，电机反转产生的再生制动能量会回到电网，会产生瞬时
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200kw以上的高回馈功率，因此，单台龙门吊对电网总的功率冲击高达500kw以上，而一条滑触线上一般有4
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6台龙门吊同时作业，这些龙门吊处于相同工作过程的极端情况下，对电网总的功率冲击最大有3mw；
7.3)回馈到电网的这部分能量要经过变压器和供电线缆达到其他区域，并需要再次经过相反的路径才能到达耗电设备消耗，这个过程中由于变压器和供电线缆的转换效率和发热，会产生能量浪费。
8.公告号为cn204481536u的实用新型专利公布了一种利用超级电容储能式e
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rtg转场电源，通过在每台龙门吊上安装超级电容转场电源，可以实现单台龙门吊的能量回收和减小对电网功率冲击，但由于超级电容是通过dc/dc接入到变频器直流母线，不能实现无功功率的调节，同时由于每台龙门吊都需要进行改造，面临成本高、施工周期长、故障率高的问题。其它的一些现有技术，如cn201726136u等也都是针对每台龙门吊设计超级电容等储能元件，同样存在上述问题。


技术实现要素：

9.针对上述技术问题以及本领域存在的不足之处，本实用新型提供了一种基于超级电容的轮胎式龙门吊集中式能量管理系统，解决了现有轮胎式龙门吊在运行过程中存在对电网频繁的功率冲击和现有回馈到电网的能量回收方式存在能量浪费的问题，同时可以进行无功功率调节，实现了一条滑触线上多台龙门吊的集中式能量管理，以较低的成本实现降低龙门吊工作时对电网的冲击，以更高的效率实现对龙门吊带集装箱下降时的能量回收。
10.一种基于超级电容的轮胎式龙门吊集中式能量管理系统，包括变压器、投用开关、pcs储能变流器、超级电容、交流滑触线和若干台与交流滑触线电连接的龙门吊；
11.变压器低压侧与交流滑触线相连；
12.超级电容与pcs储能变流器连接后经投用开关挂接在交流滑触线上。
13.目前用到超级电容的技术方案是将超级电容与龙门吊一一对应，采用的也是双向dc/dc转换电源，这就使得每台龙门吊都需要进行新增超级电容的改造，操作繁杂、成本高，且这种改造方式对于超级电容单体的用量需求非常多，每台龙门吊对应约需要1000个超级电容单体，设备成本高。
14.本实用新型创造性地提出在交流滑触线干路上连接投用开关、pcs储能变流器和超级电容，充分利用该条交流滑触线上的多台龙门吊各自起升或下降过程中的功率抵消，能实现一条滑触线上多台龙门吊的集中能量管理，大幅降低成本和操作难度，提高系统可靠性，并且计算下来平均每台龙门吊对应只需要200～600个超级电容单体，显著降低设备成本。
15.所述的投用开关用于切换基于超级电容的轮胎式龙门吊集中式能量管理系统的投入和退出，保证系统的灵活性，同时在其检修维护和发生故障时，不会影响该条交流滑触线上龙门吊的正常作业。
16.所述的pcs储能变流器用于实现交流到直流的转换和超级电容的充放电控制。所述的pcs储能变流器可以实现交流电和直流电的转换，同时实时监测交流滑触线频率和电压，当本条交流滑触线上处于起升过程中的龙门吊数量较多时，交流滑触线频率和电压会由于正向功率的冲击而降低，pcs储能变流器监测到频率降低到设定阈值或电压降低到设定阈值后控制超级电容放电，一方面可以补偿部分有功功率，从而减小对电网的冲击，另一方面，可以补偿部分无功功率，减小交流滑触线电压波动，从而改善电能质量；当本条交流滑触线上处于下降过程中的龙门吊数量较多时，龙门吊产生的再生制动能量会回到滑触线，产生反向功率冲击，同时使交流滑触线频率和电压升高，pcs储能变流器监测到频率升高到设定阈值或电压升高到设定阈值后控制超级电容充电以吸收这部分能量并本地储存起来，同样减小对电网的冲击，同时改善电能质量；此外，由于回收的能量不用经过变压器和供电线缆达到其他滑触线，而是在本地储存和利用，实现了更好的节能效果。
17.所述的超级电容具有高功率密度、长循环使用寿命、安全、绿色、免维护等特点，可以进行大功率的充放电，从而快速响应交流滑触线电压变化，降低龙门吊运行过程中对电网的冲击。同时超级电容的长循环使用寿命又可以满足龙门吊频繁起升和下降过程中频繁充放电的需要，与电池相比成本更低。
18.作为优选，所述的基于超级电容的轮胎式龙门吊集中式能量管理系统，超级电容由多个2.7v/3000f超级电容单体串并联组成。
19.作为优选，所述的基于超级电容的轮胎式龙门吊集中式能量管理系统，所述超级电容单体的用量为200～600个/台龙门吊。
20.作为优选，所述的基于超级电容的轮胎式龙门吊集中式能量管理系统，所述龙门吊的数量为1～6台。
21.在一优选例中，所述的基于超级电容的轮胎式龙门吊集中式能量管理系统，变压器变压比为10kv/440v，交流滑触线电压等级为ac440 v，正常频率为50hz，投用开关采用交
流440v断路器，pcs储能变流器采用2个500kw储能双向变流器并联实现1mw的功率吸收和补偿能力，超级电容由3240个3000f/2.7v超级电容单体经360串9并得到，所述龙门吊为6台。
22.作为优选，所述的基于超级电容的轮胎式龙门吊集中式能量管理系统，所述龙门吊包括无功补偿装置、龙门吊总开关、整流器、起升电机逆变器、大车电机逆变器、小车电机逆变器、起升电机、大车电机和小车电机；
23.起升电机、大车电机和小车电机分别连接对应的起升电机逆变器、大车电机逆变器和小车电机逆变器，并共同连接在整流器的直流母线输出端，整流器的交流输入端与龙门吊总开关和无功补偿装置连接后挂接在交流滑触线上。
24.在一优选例中，无功补偿装置为静态无功补偿装置，整流器功率为220kw，起升电机逆变器功率为220kw，大车电机逆变器功率为55kw，小车电机逆变器功率为55kw，起升电机功率为180kw、大车电机功率为30kw、小车电机功率为30kw。
25.所述的基于超级电容的轮胎式龙门吊集中式能量管理系统的运行过程包括：
26.当交流滑触线上处于起升过程中的龙门吊数量较多时，该条交流滑触线频率和电压降低，pcs储能变流器监测到频率降低到交流滑触线正常频率以下0.5hz或电压降低到交流滑触线电压等级以下后，若此时超级电容电压大于设定阈值a，则控制超级电容放电补偿部分有功和无功功率，从而减小对电网的冲击，改善电能质量；
27.当交流滑触线上处于下降过程中的龙门吊数量较多时，该条交流滑触线频率和电压升高，pcs储能变流器监测到频率升高到交流滑触线正常频率以上0.5hz或电压升高到交流滑触线电压等级以上5～10v后，若此时超级电容电压低于设定阈值b，则控制超级电容充电以从电网吸收能量并本地储存起来，同样减小对电网的冲击，改善电能质量。
28.在一优选例中，设定阈值a为600v，设定阈值b为900v。
29.本实用新型与现有技术相比，主要优点包括：
30.本实用新型解决了现有轮胎式龙门吊在运行过程中存在对电网频繁的功率冲击和现有回馈到电网的能量回收方式存在能量浪费的问题，实现了一条滑触线上多台龙门吊的集中式能量管理，以较低的成本实现降低龙门吊工作时对电网的冲击，以更高的效率实现对龙门吊带集装箱下降时的能量回收，此外，还能进行无功功率的补偿，改善电网电能质量，成本更低、操作更简便。
附图说明
31.图1为实施例的基于超级电容的轮胎式龙门吊集中式能量管理系统示意图；
32.图中：
[0033]1‑
变压器；
[0034]2‑
投用开关；
[0035]3‑
pcs储能变流器；
[0036]4‑
超级电容；
[0037]5‑
交流滑触线；
[0038]6‑
无功补偿装置；
[0039]7‑
龙门吊总开关；
[0040]8‑
整流器；
[0041]9‑
起升电机逆变器；
[0042]
10
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大车电机逆变器；
[0043]
11
‑
小车电机逆变器；
[0044]
12
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起升电机；
[0045]
13
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大车电机；
[0046]
14
‑
小车电机。
具体实施方式
[0047]
下面结合附图及具体实施例，进一步阐述本实用新型。应理解，这些实施例仅用于说明本实用新型而不用于限制本实用新型的范围。下列实施例中未注明具体条件的操作方法，通常按照常规条件，或按照制造厂商所建议的条件。
[0048]
如图1所示，本实施例的基于超级电容的轮胎式龙门吊集中式能量管理系统包括变压器1、投用开关2、pcs储能变流器3、超级电容4、交流滑触线5和若干台与交流滑触线5电连接的龙门吊，所述龙门吊包括无功补偿装置6、龙门吊总开关7、整流器8、起升电机逆变器9、大车电机逆变器10、小车电机逆变器11、起升电机12、大车电机13和小车电机14。
[0049]
变压器1低压侧与交流滑触线5相连。
[0050]
超级电容4与pcs储能变流器3连接后经投用开关2挂接在交流滑触线5上，实现交直流转换、充放电控制和能量管理系统的投入/退出切换。
[0051]
起升电机12、大车电机13和小车电机14分别连接对应的起升电机逆变器9、大车电机逆变器10和小车电机逆变器11，并共同连接在整流器8的直流母线输出端，与整流器8构成对应电机的变频器，整流器8的交流输入端与龙门吊总开关7和无功补偿装置6连接后挂接在交流滑触线5上。
[0052]
具体的，本实施例中变压器1变压比为10kv/440v，交流滑触线5电压等级为ac440 v，正常频率为50hz，无功补偿装置6为静态无功补偿装置，整流器8功率为220kw、起升电机逆变器9功率为220kw、大车电机逆变器10功率为55kw、小车电机逆变器11功率为55kw、起升电机12功率为180kw、大车电机13功率为30kw、小车电机14功率为30kw。
[0053]
投用开关2采用交流440v断路器，pcs储能变流器3采用2个500kw储能双向变流器并联实现1mw的功率吸收和补偿能力，超级电容4由3240个3000f/2.7v超级电容单体经360串9并得到，龙门吊为6台(即图1中的n＝6)。
[0054]
上述基于超级电容的轮胎式龙门吊集中式能量管理系统的运行过程如下：
[0055]
当本条交流滑触线5上处于起升过程中的龙门吊数量较多时，交流滑触线5频率和电压降低，pcs储能变流器3监测到频率降低到交流滑触线正常频率以下0.5hz或电压降低到440v以下后，若此时超级电容4电压大于600v，则控制超级电容4放电补偿部分有功和无功功率，从而减小对电网的冲击，改善电能质量；当本条交流滑触线5上处于下降过程中的龙门吊数量较多时，交流滑触线5频率和电压升高，pcs储能变流器3监测到频率升高到交流滑触线正常频率以上0.5hz或电压升高到450v后，若此时超级电容4电压低于900v，则控制超级电容4充电以从电网吸收能量并本地储存起来，同样减小对电网的冲击，改善电能质量；此外，由于回收的能量不用经过变压器和供电线缆达到其他滑触线，而是在下个过程利用，实现了更好的节能效果。
[0056]
此外应理解，在阅读了本实用新型的上述描述内容之后，本领域技术人员可以对本实用新型作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本技术所附权利要求书所限定的范围。