ITEC Asia-Pacific 2014 1569950913
Hybrid Power-train for Port Crane Energy Recovery
Nan Zhao1, Nigel Schofield2, Wangqiang Niu3, Piranavan Suntharalingam4 and Yaozhou Zhang5 1Department of Electrical and Computer Engineering, McMaster University, zhaon5@mcmaster.ca 2Department of Electrical and Computer Engineering, McMaster University, nigels@mcmaster.ca 3Shanghai Maritime University, wqniu@shmtu.edu.cn
4McMaster Automotive Resource Center, McMaster University, sunthar@univmail.cis.mcmaster.ca
5Shanghai Zhenhua Heavy Industry Co., Ltd., zhangyaozhou@126.com
Abstract-Marine networks are experiencing an expanding role in the global transportation of goods and are demanding an increasing energy resource while being a contributor to climate change related emissions. This paper investigates the optimization of hybrid power-trains for port crane applications. The optimized system is capable of recovering energy in the “Hoist- Down” and other regenerative braking operations. Moreover, due to the contribution of the power buffer in providing energy for acceleration operations, the main energy source can be replaced by a lower rated system. The power flow of the crane system is analyzed and the value of the energy saving potential is calculated; then, the design of the lifting motor is fundamentally studied based on the crane operating requirements; furthermore, the application of different energy/power storage devices in single and hybrid source configurations is discussed based on the crane specification.
- INTRODUCTION
Ports, where cargoes are loaded and unloaded and conveyances interchange, are comprehensive hubs of the marine transportation network and very important in the whole international business of goods transportation. Over the last 20 years, China has witnessed spectacular port development, with the volume of freight handled in the main coastal ports soaring 884% from 743 million tonnes in 1994 to 7312 million tonnes in 2013 [1]. In recent years, the cargo throughput of Chinese coastal ports has maintained a double- digit growth, a rate that is expected to remain strong both over the medium and longer terms. Despite its contributions to regional economic growth, the port industry requires significant energy consumption and is a source of global climate change emissions. According to the Chinese transportation industry standards, the energy consumption is 360 tonnes of standard coal equivalent (SCE) per million tonnes of cargo throughput [2]. The energy consumption of cargo handling in the main costal ports of China for the past 20 years is illustrated in Fig. 1, which shows that the energy consumption for cargo handling in 2013 is increased by approximately 9 times from the amount in 1994. Such energy consumption has become one of the contributing sources of environmental pollutants in China. Since diesel-engine generators are widely used as their power source, port cranes are contributors to energy and environmental problems both
in the port area and the wider port locality. In order to reduce its adverse effects, hybrid or more electric cranes with energy regeneration techniques are being considered to replace traditional crane systems.
A crane system is a type of large machinery found at ports for loading and unloading intermodal cargoes. Fig. 2 shows schematically an example crane detailing the operating process distances. The conservation of energy, when hoisting up or accelerating the containers, cranes transform fuel or electrical energy into kinetic and gravitational potential energy; when hoisting down or braking the containers, large amounts of energy could be fed back to the system if it could recover or provide some energy storage. Traditionally, the feedback energy is consumed by electrical resistance and wasted. In order to recycle any recovered energy, two approaches can be used (i) one is to send excess energy to the electrical power grid, (ii) another is to recycle via energy storage devices, such as batteries and/or supercapacitors [3]. Due to their mobility and low impact on the power grid, on- board energy storage devices have been more widely used. Here, the on-board energy and power sources must satisfy the load demand of the crane.
For systems not connected to the electrical grid, the internal combustion engine (ICE) is conventionally used as the main energy source. However, for more energy efficient and less polluting consideration, hybrid source systems can be used. Hybrid source systems mainly include two types of energy storage devices [4]. One, with high energy density, which provides extended driving; the other, with high power density and reversibility, operate at acceleration and regenerative braking. For the crane application, the rating of the energy storage device is mainly determined by the power needed in the hoist up and gantry acceleration [5]. However, the time for hoist up and gantry acceleration occupies less than 20% of the whole operation time, so in most operation time, cranes do not require such a large driving power. Therefore, the choice of hybrid source system will significantly influence the size and cost of the whole driving and energy recycling system [6]. The duty rating specification, based on the operation duty cycle of the crane applications, provides the assessment of the selection of the hybrid power-train system components. In this paper, firstly, the driving cycle from a case study of a typical rail-mounted gantry crane is presented.
Since the power and energy requirements determine the specification of the hybrid power-train system, the power flow of the crane system is analyzed and the value
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用于港口起重机能量回收的混合动力系统
摘要：海洋网络在全球货物运输中正发挥着越来越大的作用，并要求增加能源资源，同时也是与气候变化有关的排放物的贡献者。本文研究港口起重机应用混合动力系统的优化问题。优化后的系统能够在“升起-下落”和其他再生制动操作中恢复能量。此外，由于功率缓冲器在加速运行中提供能量的贡献，可以用较低的额定系统代替主能源。对起重机系统的功率流进行了分析，计算了节能潜力的大小；然后，根据起重机的操作要求，从根本上研究了电机设计；此外，根据起重机规范，讨论了不同能源/电力储存设备在单源和混合电源配置中的应用。
一、简介
港口，在货物装卸和运输的交汇处，是海洋运输网络和货物运输的整体国际业务非常重要的综合枢纽。在过去的20年中，中国取得了惊人的发展，随着货运处理量在主要沿海港口7亿4300万吨飙升884%，从1994年的7亿4300万到2013年的73亿1200万。近年来，中国沿海港口的货物吞吐量保持了两位数的增长，预计在中长期内保持强劲增长。尽管港口对区域经济增长有贡献，但港口工业需要大量能源消耗，而且是全球气候变化排放物的来源。根据中国运输业标准，每百万吨货物吞吐量的能源消耗量为360吨标准煤当量（SCE）。货物装卸在中国主要沿海港口为过去20年的能源消费如图1所示，这表明，2013处理货物的能源消耗比1994增加了大约9倍。在中国这样的能源消耗已成为环境污染物的来源。由于柴油发电机被广泛用作动力源，在港区和较广的港口地区港口起重机对能源和环境问题都有影响。为了减少其不利影响，正在考虑使用能量再生技术的混合式或更多电动起重机取代传统的起重机系统。
起重机系统是在港口装卸货物的一种大型机械。图2详细的表示出远距离操作起重机的过程。当提升或加速容器时，起重机将燃料或电能转化为动能和重力势能；当卸下或制动容器时，如果能恢复或提供一些能量储存，就可以将大量的能量反馈给系统。传统上，反馈能量是由电阻和损耗消耗的。为了回收任何回收的能源，可以使用两种方法：一种是向电网输送多余的能量，另一种是通过储能装置回收，如电池和/或超级电容器。由于其可移动性和对电网的影响小，车载储能装置得到了越来越广泛的应用。在这里，车载能量和电源必须满足起重机的负荷要求。
对于没有连接到电网的系统，内燃机（ICE）通常被用作主要能源。然而，为了提高能源效率和减少污染，可以使用混合源系统。混合源系统主要包括两类储能器件。一种是高能量密度，提供扩展驱动；另一种具有高功率密度和可逆性，可用于加速和再生制动。对于起重机的应用，储能装置的额定值主要取决于提升机和龙门架加速度所需的功率。然而，起重机的起升时间和门架加速度都不到整个作业时间的20%，因此在大多数作业时间内，起重机不需要如此大的驱动功率。因此，混合动力系统的选择将对整个驱动和能量回收系统的规模和成本产生重大影响。根据起重机应用程序的工作占空比，提出了混合动力系统部件选择的评估指标。本文首先介绍了一个典型的轨道式门式起重机的行驶工况。
由于动力和能源需求决定了混合动力系统的规格，分析了起重机系统的功率流，计算了系统的能耗和节能潜力。根据计算结果，对提升电机的设计进行了初步研究。然后，柴油发动机，电池的能量存储应用，在单一和混合源配置了超级电容器和飞轮。以系统规范为基础，研究了港口起重机实例的混合动力系统优化问题。
图一 中国沿海港口在过去的20年里主货装卸综合能耗
图二 港口起重机实例操作过程
二、动力结构
由于结构简单、控制方便等优点，本文选择了起重机混合动力系统的系列结构。在串联混合动力系统中，如图3所示，各种能源/蓄电设备有多种选择，显示各种潜在的组合。在能量消耗模式下，能量源通过交流或直流或DC／dc变换器提供系统直流环节，再通过直流/直流变换器为起重机电机供电；在再生方式下，通过功率变换器管理相反方向的电力流。
在一个典型的占空比，电机驱动器在不同的条件下执行，如轻载，满载和制动。相应地，动力火车将在三种工作模式的工作：（一）能源供应的主要来源，（二）能量的源泉和动力缓冲和（三）在再生制动能量回收。动力/储能和电机驱动作为动力系统的关键部件，在动力传动系统中起着至关重要的作用。混合电源的电源和能源供应必须足以满足电力需求，电机驱动器的额定功率和转矩速度特性必须满足负荷需求。因此，最佳的机械设计和适当的动力/能源选择是实现紧凑、轻量、高性能、高效率的动力传动系统的关键。
图三 混合动力部件及其相关连接器件
- 系统能量与功率研究
为了确定起重机动力传动系统的额定工作规范，本节研究了一种典型的轨道式门式起重机的最大载荷工况。利用起重机动力学的简化模型进行运动学分析，估算电机驱动和能量源的功率要求。
对于提升机操作，容器通过升降电机升降，通过齿轮箱带动滑轮鼓，假定为简单的固定比率。总力需要从动力系统可以表示为：
Fr是驱动滚筒和绳索之间摩擦力，M是集装箱和吊具质量，G是重力加速度，v是集装箱速度。然后表示鼓角速度在集装箱速度产量：
其中Rd是鼓的平均半径。提升机运行所需功率为：
Jd是滚筒转动惯量。因此，提升机输出功率可计算，即：
在W1，J1是提升机的角速度和惯性，和NGB是变速箱效率。机器扭矩是简单的输出功率除以工作速度：
在确定了机器的输出功率之后，可以考虑设备效率来计算能源所需的功率和能量，即：
NC和NE分别是转换器和机器效率。
根据同样的原理，可以分别导出机械转矩和输出功率以及能源所需的功率和能量。在本案例研究中，假设齿轮箱、转换器、机器驱动和机器生成效率分别为95%、90%、80%和90%。图4示出了用于一个占空比的提升操作的速度和功率分布图，图5显示了动力传动系所需的功率。起重机动力/储能的平均功率和峰值功率需求列于表一，这表明平均功率与峰值功率分别为0.08、0.007和0.038，分别为卷扬机、小车和龙门式机械。因此，为了最大限度地减少系统的体积、重量和成本，可以选择主电源的额定功率远低于峰值功率，假定超过功率将由功率缓冲器提供。提升机的扭矩曲线和机械特性如图6所示，在设计提升机时必须考虑。基于简化的起重机模型的计算，一个小时不间断运行（最大负荷40.5吨的集装箱），消耗能量1749.4 mJ，再生能源潜力为779.1 MJ，这表明所消耗的能量的44%可回收。因此，有必要设计一个端口范围节能混合动力系统。
- 提升机的设计
A.扭矩-转速特性提升机电机
由于其成本低，结构坚固，制造和控制技术成熟，考虑了PWM驱动的感应电机在提升机上的应用。用于港口起重机应用的提升机的理想特性是在低速区域的高扭矩以备负载运行，并在高速下为恒定功率输送提供低扭矩，如图7所示。角速度WC是满载运行的限速，Wm是恒功率运行的最高速度。的最大速度与角速度的比值定义为扩展的速度比a。在角速度下，每赫兹恒定的电压（V／F）用来维持机器电磁转矩的控制。由于电源电压和逆变器调制技术，定子相电压幅值是有限的。如果进一步增加电源频率f，以在恒定电压下扩展速度范围，则实现弱磁场操作。在弱磁区，该机的最大扭矩和拉拔转矩跟随双曲函数f 1和f 2。因此，恒功率运行，如果一个扩展的速度比a期望的转矩，必须a倍最大扭矩在角速度。根据图6（b），这台提升机的速比为2，因此机器的拉出扭矩应该是最大扭矩的两倍。
- 容器的速度
- 能量需求
图4 提升机运行
图5 最大负荷功率要求
B.提升机设计考虑
如前所述，逆变器驱动感应电机（IDIM）是用于起重机的卷扬马达。在提升机设计过程中，需要考虑一些因素：
- 根据第三节的计算，全负荷工况下的峰值功率和最大转矩要求分别为330千瓦和3540海里。
- 角速度为895 rpm，即图6（b）中的93.7弧度/秒，可以设置为机器的额定速度，这表明机器磁极数为50赫兹基准频率的6。
- 所需的扩展速比仅为2，可由具有调速控制的普通感应电机容易获得，因此在牵引电机设计中不必牺牲其它机器性能参数提高牵引转矩。不仅如此，这种过度设计的转矩甚至可以降低以提高电机功率因数。
- 在传统的固定电压恒频感应电机设计中，为了满足起动要求，包括限制起动电流和最大起动转矩，采用窄而深的转子槽，影响低速运行时的效率和功率因数。与变频系统，起动转矩可控制，因此起动电流可以通过额定电流[替换] 13。因此它更适合使用宽而浅的IDIM转子槽。
- 一般情况下，由于PWM逆变器驱动引起的高次谐波，电机可能会经历效率下降和损耗，因此温度、噪声和振动水平增加13, 14。为了抑制高次谐波，最基本的考虑因素是：
增加定子和转子的漏抗；（ii）使用短节距绕组；（iii）选择适当的转子/定子槽数组合。
a.电机转矩
b.扭矩与包络速度
图6 提升机机械特性
图7 电机转矩与功率与速度特性
C.机械设计程序
根据与IDIM工作原理的特点，设计的基本程序可概括为：
1）用传统的设计方法设计电机转角速度点。
2）检查机器在全速范围内的性能。
3）考虑变频器的设计自由度和约束条件，优化机床。
表一 储能需求综述
- 能源存储设计
为了满足负载要求，需要高功率、高能量的储能器件。在第二节提到，有几个选项，如冰、电化学电池、超级电容器、飞轮可用于起重机的动力。考虑到各储能装置的技术特点，冰或电化学电池可以单独使用或作为混合动力系统的主要能量来源，而超级电容器、飞轮可以作为一个峰值功率缓冲器在混合系统。
A.纯冰和纯电池操作
在这种情况下，冰或电化学电池既是动力源又是能源。基于负载的要求，一个750千瓦的柴油发电机组科勒冰[ 17 ]和[ 18 ]斑马z5c电池分别研究。计算出的性能数据见表二，从中可以看出，柴油制冰机组的重量大约是斑马电池的1.3倍，是斑马电池的7倍。此外，与电化学电池相比，柴油发电机产生局部排放，无法回收再生能源。
然而，虽然电池组的设计是为了满足峰值功率的要求，但它的能量容量过大，这意味着它的主要功能是作为电源而不是能源。为了最大限度地减少能量存储的体积和质量，能量存储的能量/功率比应该等于起重机应用程序的能量/功率比，即：
其中R是能量/功率比，E是所需的能量或能量存储设备的应用和具体的应用程序所需的能量或能量的储存比功率峰值功率。在本例研究中，起重机运行的能量/功率比为0.36，而斑马电池的能量/功率比为0.56。因此，高功率密度的能量装置，如超级电容器或飞轮，需要与混合能源组合中的电池一起工作。
表二 冰和电池操作数据
B.超级电容器与飞轮运行
超级电容器以其高功率密度、长寿命、快速充放电、低维护等优点而被广泛应用于电化学电池。超级电容器能够在大功率充放电情况下工作，如负载升降、门架加速和减速。在这种情况下，超级电容器的使用寿命不会受到高充放电电流的影响，而超级电容器是一种低能耗的高密度器件。超级电容器模型可以简化为一个正常的电容器，其中有效的存储能量被表示为：
其中C是固有电容，Vmax和Vmin的最高和最低运行电压水平。
飞轮是一种能量密度高、能量密度低的储能装置。在飞轮系统中，能量储存在飞轮惯性元件和一个完整的电机/发电机的接口，在充电和放电的电气系统。在充电方式下，电机加速飞轮储能为动能。在放电方式下，飞轮减速通过发电机将动能转化为电能。飞轮储能电源和吸收大量的功率在高循环率的要求，例如，用长寿命、高能源效率的起重机上的应用。将飞轮模型简化为电机转子附加惯量，从而将能量存储为：
其中Jw是联合机和飞轮的惯性和Ww是飞轮转速。
在这种情况下，如果仅使用超级电容器或飞轮作为储能装置，将产生一个大而重的包，以满足能源需求。表三说明计算性能数据，麦斯威尔pc2500超级电容器[ 6 ]和[ 19 ] vdc-xe飞轮。显然，峰值功率过大，体积和质量太大。然而，它们的能量/功率比分别为0.0008和0.0037，可以被认为是与斑马电池一起工作以获得所需的值。
表三 超级电容器与飞轮运行数据
C.混合操作
在前人研究的基础上，提出了以电化学电池为主要储能、超级电容器或飞轮作为功率缓冲器的混合电源系统。混合源系统的能量/功率比表示为：
其中w和p w是电池质量和功率缓冲器，B E和P E是电池和功率缓冲器的比能量，B P和P p是电池和功率缓冲器的比功率。为使混合动力系统的体积和质量减至最小，能量/功率比应等于起重机运行能量/功率比为0.36。根据方程，对混合能源系统进行了优化，计算的性能结果详见表四和五。
表四 电池-超级电容混合操作数据
表五 电池-飞轮混合操作数据
相比之下，混合能源系统的结果是一个更紧凑，更轻的解决方案，特别是电池超级电容器混合动力。此外，混合储能系统将降低电池峰值电流，提高电池寿命。此外，由于超级电容器和飞轮具有更高的充放电效率和更快的功率响应，整个系统的性能
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