一种燃料电池驱动的龙门吊电路系统及控制方法

1.本发明属于龙门吊电路系统领域，特别涉及一种龙门吊用的由燃料电池和超级电容组成的双能量源电路充放电电路系统方案及控制方法。


背景技术：

2.目前，能源需求增加，特别是发展中国家的能源需求增加，以及化石燃料价格上涨等因素，已成为运输部门持续关注的问题。因此，减少温室气体排放的新技术已经在各个市场得到开发和推广。这一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。世界各地的大多数码头都在使用龙门吊来处理码头堆场内的集装箱。这些起重机中绝大多数由柴油发电机组(dpp)提供动力，每台额定功率超过400kw，额定消耗量为15l/h，相当于40kg co2/h。目前，柴油循环热电联产系统的额定效率约为40％。现阶段已经制定了一些措施来减少龙门吊的柴油消耗：使用超级电容、电池和飞轮电池，但由于一些关键技术问题，该措施还未大量推广。
3.部分集装箱码头也倾向于从电网上获取电能，然而，由于一些新兴国家的供电基础设施落后，使得这种从电网取电的龙门吊很难获得所需的能源，因此并不适用于任何地方。
4.龙门吊在提升集装箱的瞬间需求功率最大，释放集装箱短时间内需要回收大量制动能量。采用燃料电池和超级电容的双电源能源结构方案可以较好的利用超级电容能瞬间提供较大能量的优点来解决上述难题，并且回收制动时的重力势能。但是这种电路相较于传统龙门吊电路更加复杂混乱，因此急需设计一种安全可靠的可满足龙门吊的能量需求又能便于维修的龙门吊高压电路，并且该电路能够按照能量需求来协调双电源的能量输出，而现阶段并没有一种合适的电路可以满足以上需求。


技术实现要素：

5.本发明的目的是针对上述问题，提出一种电路结构简单、实用、有效的龙门吊电路系统及控制方法。
6.本发明的技术方案为：一种燃料电池驱动的龙门吊电路系统，包括：超级电容供电电路，燃料电池供电电路，能量消耗电路，负载电路，直流母线电路，能量管理控制器；所述燃料电池供电电路、超级电容供电电路、能量消耗电路、负载电路均并联接入直流母线电路；所述能量管理控制器，用于控制燃料电池供电电路输出和超级电容供电电路的输入输出输出以及能量消耗电路的输入，并通过控制算法维持母线电路电压稳定，满足负载电路的电流需求；所述直流母线电路，用于吸收燃料电池电路电能、吸收或者反馈超级电容电能、反馈能量消耗电路电能、吸收或者反馈负载电路电能。
7.进一步，所述超级电容供电电路包括第一预充回路、熔断器1、继电器 dk5、绝缘检测仪k1、电流传感器1、电压传感器1以及直流变换器1；所述第一预充回路由dk1串联电阻预充r1后并联dk3构成,用于给后端负载内部的电容元件进行预充，防止电路直接导通烧毁电
容元件，超级电容接口负极连接熔断器1，熔断器1串联第一预充回路后接入直流变换器1负极输入端，超级电容接口正极连接继电器dk5后串联电流传感器1后接入直流变换器1 正极输入端；直流变换器1的正负输出端接入母线电路；所述绝缘检测仪k1 与电压传感器1并联接入超级电容供电电路；所述电流传感器1、电压传感器1分别用于实时测量超级电容供电电路电流、电压并将测量数值通过can通讯反馈给能量管理控制器；所述绝缘检测仪k1用于检测电路是否发生短路，若发生短路，将短路信号通过can网络传递给能量管理控制器，能量管理控制器通过can网络发送控制信息给全部继电器控制其断开电路连接；所述超级电容接口正负极通过外接超级电容组给超级电容供电电路供电。
8.进一步，所述燃料电池供电电路包括第二预充回路、熔断器2、继电器 dk6、绝缘检测仪k2、电流传感器2、电压传感器2以及直流变换器2；所述第二预充回路由dk2串联预充电阻r2后并联dk4构成,用于给后端负载内部的电容元件进行预充，防止电路直接导通烧毁电容元件，燃料电池接口负极连接熔断器2，熔断器2串联第二预充回路后接入直流变换器2负极输入端，燃料电池接口正极连接继电器dk6后串联电流传感器2后接入直流变换器2 正极输入端；直流变换器2的正负输出端接入母线电路；所述绝缘检测仪k2 与电压传感器2并联接入燃料电池供电电路；所述电流传感器2、电压传感器 2分别用于实时测量燃料电池供电电路电流、电压并将测量数值通过can网络传递给能量管理控制器；所述绝缘检测仪k2用于检测电路是否发生短路，若发生短路，将短路信号通过can网络传递给能量管理控制器，能量管理控制器通过can网络发送控制信息给全部继电器控制其断开电路连接；所述燃料电池接口正负极通过外接燃料电池组给燃料电池供电电路供电。
9.进一步，所述能量消耗电路包括：制动电阻r3和开关电路；所述制动电阻r3和开关电路串联后接入母线正负极；所述开关电路包括相并联的igbt 和二极管，通过控制igbt的开管导通时制动电阻可以消耗母线能量，关闭时则制动电阻无法消耗母线能量。
10.进一步，所述的负载电路包括：逆变器1/2/3，起重电机1、龙门电机1/2，小车电机；所述逆变器1将直流母线电路的高压直流电转换为三相电给起重电机和龙门电机1使用；所述逆变器2将直流母线电路的高压直流电转换为三相电给龙门电机2使用；所述逆变器3将直流母线电路的高压直流电转换为三相电给小车电机1使用；所述起重电机用于提升、释放重物；所述小车电机用于平行移动重物；所述龙门电机1/2用于将龙门架进行转场移动，龙门架转场时起重电机和小车电机处于不工作状态；所述龙门电机1和起重电机共用逆变器 1。
11.进一步，所述直流母线电路包括：电流传感器3，电压传感器3，绝缘检测仪k3和辅助电路；所述电流传感器3设置在直流母线电路正端，所述电压传感器3并联在能量消耗电路两端，所述绝缘检测仪k3并联在直流母线电路两端，所述辅助电路并联在直流母线电路正负端；所述电流传感器3、电压传感器3分别用于实时测量母线供电电路电流、电压并将测量数值通过can通讯反馈给能量管理控制器；所述绝缘检测仪k3用于检测电路是否发生短路，若发生短路，将短路信号通过can网络传递给能量管理控制器，能量管理控制器通过can网络发送控制信息给全部继电器控制其断开电路连接；所述辅助电路用于将直流母线电路的高压直流电转换为其他诸如空调、收音机可以使用的低压直流电。
12.一种燃料电池驱动的龙门吊电路系统的控制方法，所述能量管理控制器通过内部单片机集成的控制算法控制直流变换器2、直流变换器1、继电器dk1～6 及igbt的工作状
态；包括以下步骤：
13.步骤1、钥匙启动，燃料电池开始正常工作后，能量管理控制模块通过 can通讯发送指令使接触器dk1、dk2、dk5、dk6接通开始为后端负载内的电容部件进行预充，预充结束后dk1、dk2断开，dk5、dk6保持吸合，dk3、dk4吸合，此时龙门架各部件处于待机状态；
14.步骤2、龙门架开始运输工作：阶段1：起重电机垂直提升重物，提升瞬间需求功率最大，燃料电池与超级电容协同供电，能量管理控制器通过控制直流变换器1与直流变换器2的变压比使其满足作业需求；阶段2：小车电机平行转移重物，此阶段功率需求较大，能量管理控制器控制直流变换器2变压比，关闭直流变换器1超级电容停止工作；阶段3：起重电机释放重物，此阶段无能量需求主要是能量回收，能量管理控制器关闭直流变换器2,燃料电池停止供电处于待机发电状态，起重电机回收重物释放的重力势能，能量管理控制器控制直流变换器1变压比使超级电容回收相应能量；若回收能量超过超级电容自身容量soc最大值，能量管理控制器控制igbt打开，部分母线电流通过制动电阻将电能转换为热能耗散；阶段4：起重机和小车电机回到初始位置，能量管理控制器控制直流变换器2变压比使其满足工作需求，此时直流变换器1 处于关闭状态，燃料电池提供相应能量，超级电容不工作；
15.所述能量管理控制器控制直流变换器的具体方法为：直流变换器1输出电压采用双环pid控制，直流母线电压需维持在固定目标值电压传感器3 实时测量母线电压值为v
bus
，电流传感器1实时测量超级电容电流为i
sc
；在外环控制中，pid控制器的输入为与v
bus
的差值，输出为超级电容输出参考电流在内环控制中，pid控制器的输入与i
sc
的差值，输出为直流变换器1的占空比dc
sc
，从而使超级电容输出电流i
sc
与参考电流保持一致；电压传感器1实时测量超级电容电压，用于估算超级电容实时soc，具体为v
sc
为超级电容实际电压，为超级电容最大电压。
16.直流变换器2输出电压采用一级pid控制，电压传感器2实时测量燃料电池输出电压v
fc
，电流传感器2实时测量燃料电池输出电流i
fc
，计算龙门吊需求功率p
rtg
以及辅助电路需求功率p
aux
，龙门吊需求功率为起重电机或者龙门电机或者小车电机其中之一的功率需求；总需求功率为p
rtg
+p
aux
，由此计算燃料电池输出参考电流为直流变换器2的电压pid控制输入为燃料电池参考电流与实测电流的差值i
fc
，输出为直流变换器2的占空比 dc
fc
，从而使燃料电池实际输出电流i
fc
与参考电流保持一致；
17.步骤4，钥匙关闭龙门架停机，能量管理控制器通过can通讯发送指令给所有继电器，断开所有继电器的电路连接。
18.与现有技术相比，本发明具有以下优点：
19.1、电路能够有效监测电路中的故障情况，当出现严重短路故障时，熔断器立即熔断，最大程度保护其他电路元件。
20.2、电路结构简单实用便于后期维护和修理；电路中的预充回路能够有效保护后端电器中的电容元件，防止电路接通瞬间电容部件被短路击穿。
21.3、能够合理地按照作业需求分配双电源的输出能量，控制效果理想，能有效提高双电源工作效率。
22.4、能量管理方法利用了超级电容的充放电特性，既能提供瞬间大电流又能回收制动过程中的电能。
23.5、直流变换器变压控制采用经典双环pid控制，控制过程简单、并且能很好的维持母线电压，达到稳压效果。
24.6、起重电机和龙门电机1共用一个逆变器减少器件成本。
附图说明
25.图1是本发明提出的龙门吊电路系统原理图；
26.图2是本发明提出的直流变换器1控制原理图；
27.图3是本发明提出的直流变换器2控制原理图；
具体实施方式
28.本发明提出一种燃料电池驱动的龙门吊电路系统及控制方法，详细设计了双电源能量分配及控制的具体方法。下面结合附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。
29.一种燃料电池驱动的龙门吊电路系统如图1所示包括：超级电容供电电路，燃料电池供电电路，能量消耗电路，负载电路，直流母线电路，能量管理控制器。
30.步骤1、钥匙启动，燃料电池开始正常工作后，能量管理控制模块通过 can通讯发送指令使接触器dk1、dk2、dk5、dk6接通开始为后端负载内的电容部件进行预充，预充结束后dk1、dk2断开，dk5、dk6保持吸合， dk3、dk4吸合，此时龙门架各部件处于待机状态；
31.步骤2、龙门架开始运输工作：阶段1：起重电机垂直提升重物，提升瞬间需求功率最大，燃料电池与超级电容协同供电，能量管理控制器通过控制直流变换器1与直流变换器2的变压比使其满足作业需求；阶段2：小车电机平行转移重物，此阶段能量需求较大，能量管理控制器控制直流变换器2变压比，关闭直流变换器1超级电容停止工作；阶段3：起重电机释放重物，此阶段无能量需求主要是能量回收，能量管理控制器关闭直流变换器2,燃料电池停止供电处于待机发电状态，起重电机回收重物释放的重力势能，能量管理控制器控制直流变换器1变压比使超级电容回收相应能量；若回收能量超过超级电容自身容量soc最大值，能量管理控制器控制igbt打开，部分母线电流通过制动电阻将电能转换为热能耗散；阶段4：起重机和小车电机回到初始位置，能量管理控制器控制直流变换器2变压比使其满足工作需求，此时直流变换器1 处于关闭状态，燃料电池提供相应能量，超级电容不工作。
32.如图2
‑
3所示，详细的所述能量管理控制器控制直流变换器的具体方法为：直流变换器1输出电压采用双环pid控制，直流母线电压需维持在固定目标值电压传感器3实时测量母线电压值为v
bus
，电流传感器1实时测量超级电容电流为i
sc
；在外环控制中，pid控制器的输入为与v
bus
的差值，输出为超级电容输出参考电流在内环控制中，pid控制器的输入与i
sc
的差值，输出为直流变换器1的占空比dc
sc
，从而使超级电容输出电流i
sc
与参考电流保持一致；电压传感器1实时测量超级电容电压，用于估算超级电容实时soc，具体为
33.直流变换器2输出电压采用一级pid控制，电压传感器2实时测量燃料电池输出电压v
fc
，电流传感器2实时测量燃料电池输出电流i
fc
，计算龙门吊需求功率p
rtg
以及辅助电路需求功率p
aux
，龙门吊需求功率为起重电机或者龙门电机或者小车电机其中之一的功率需求；总需求功率为p
rtg
+p
aux
，由此计算燃料电池输出参考电流为直流变换器2的电压pid控制输入为燃料电池参考电流与实测电流的差值i
fc
，输出为直流变换器2的占空比 dc
fc
，从而使燃料电池实际输出电流i
fc
与参考电流保持一致。
34.步骤4，钥匙关闭龙门架停机，能量管理控制器通过can通讯发送指令给所有继电器，断开所有继电器的电路连接。
35.应当理解，虽然本说明书是按照各个实施例描述的，但并非每个实施例仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。
36.上文所列出的一系列的详细说明仅仅是针对本发明的可行性实施例的具体说明，它们并非用以限制本发明的保护范围，凡未脱离本发明技艺精神所作的等效实施例或变更均应包含在本发明的保护范围之内。
37.在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示意性实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
38.尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。