基于雙向DC-DC變換器的混合動力RTG的研究

1、LOGO基于雙向基于雙向DC-DC變換變換器器的混合動力的混合動力RTG的研究的研究1混合動力起重機系統(tǒng)研究2雙向DC-DC變換器控制策略設(shè)計3系統(tǒng)仿真結(jié)果及分析45緒 論總結(jié)與展望混合動力輪混合動力輪胎式龍門起胎式龍門起重機重機（RTG）混合動力船舶混合動力船舶 十九世紀(jì)末，混合動力技術(shù)(Hybrid)成功應(yīng)用于電動汽車領(lǐng)域。目前Hybrid技術(shù)存在著兩種新的趨勢F課題背景及意義課題背景及意義1 緒緒 論論（1）回收勢能，并保持傳統(tǒng)起重機靈活性；（2）節(jié)能降耗，降低柴油發(fā)電機配置容量；（3）成本投入，前期一次性投入，后期節(jié)能減排回收成本時間研究成果2003年日立建機生產(chǎn)出了世界上第一臺混合動

2、力驅(qū)動的輪式裝載機 2006年日本TCM公司開發(fā)的混合動力RTG在東京集裝箱碼頭投入使用 2006年上海振華港機公司(ZPMC)自主開發(fā)的基于超級電容器的輪胎式集裝箱起重機在美國西雅圖正式投入使用 2006年韓國Sang-Min Kim等主要從基于超級電容器的混合動力RTG的能量管理和控制策略方面進行研究2011年P(guān)etar J. Grbovic等一系列論文利用狀態(tài)空間平均法對雙向DC-DC變換器建模，使用二項式準(zhǔn)則和巴特沃斯準(zhǔn)則對雙向DC-DC控制器進行設(shè)計，實現(xiàn)了基于超級電容器的混合動力RTG的制動能量回收和不間斷運行1 緒緒 論論F國內(nèi)外研究現(xiàn)狀國內(nèi)外研究現(xiàn)狀上海振華重工混合動力上海振華

3、重工混合動力RTG調(diào)試現(xiàn)場調(diào)試現(xiàn)場1 緒緒 論論裝載混合動力電源裝置前裝載混合動力電源裝置前 裝載混合動力電源裝置后裝載混合動力電源裝置后下放下放30噸噸負(fù)載時黑煙排放對比畫面負(fù)載時黑煙排放對比畫面1 緒緒 論論 32 混合動力混合動力RTG系統(tǒng)系統(tǒng)12 混合動力起重機系統(tǒng)研究混合動力起重機系統(tǒng)研究雙向雙向DC-DC變換器變換器鋰電池特性鋰電池特性他勵直流電動機他勵直流電動機42 混合動力起重機系統(tǒng)研究混合動力起重機系統(tǒng)研究 混合動力起混合動力起重機系統(tǒng)的工作重機系統(tǒng)的工作原理及能量流動原理及能量流動圖，系統(tǒng)在運行圖，系統(tǒng)在運行過程中主要有過程中主要有3種工作模式：柴種工作模式：柴油發(fā)電機模式

4、、油發(fā)電機模式、再生發(fā)電模式和再生發(fā)電模式和鋰電池組放電模鋰電池組放電模式。式。2 混合動力起重機系統(tǒng)研究混合動力起重機系統(tǒng)研究電壓與容量關(guān)系電壓與容量關(guān)系 電壓與壽命關(guān)系電壓與壽命關(guān)系F單體鋰電池特性單體鋰電池特性2 混合動力起重機系統(tǒng)研究混合動力起重機系統(tǒng)研究v左半部分為鋰電池使用壽命模型；右半部分為鋰電池Thevenin模型，該電路模型由一個受控電壓源、電壓瞬時下降反應(yīng)電阻Rseries和2個串聯(lián)的RC網(wǎng)絡(luò)組成。2 混合動力起重機系統(tǒng)研究混合動力起重機系統(tǒng)研究鋰電池組能鋰電池組能量流向控制圖量流向控制圖2 混合動力起重機系統(tǒng)研究混合動力起重機系統(tǒng)研究F雙向雙向DC-DC變換器電路參數(shù)設(shè)計

5、變換器電路參數(shù)設(shè)計v功率開關(guān)元件IGBT的開關(guān)頻率設(shè)計為10kHz。v儲能電感：v輸入、輸出濾波電容：v緩沖電路：HIf10D1DULfswi400max,F300ULf8TUCppooffominF1C2 混合動力起重機系統(tǒng)研究混合動力起重機系統(tǒng)研究 （1）保持IGBT開關(guān)管V4導(dǎo)通，V3關(guān)斷，電動機運行在正向電動和正向再生制動狀態(tài)； （2）保持IGBT開關(guān)管V2導(dǎo)通，V1關(guān)斷，電動機運行在反向電動和反向回饋制動狀態(tài)。v全橋可逆斬波電路驅(qū)動他勵直流電動機四象限運行。3 雙向雙向DC-DC變換器控制策略設(shè)計變換器控制策略設(shè)計 （1）針對鋰電池組系統(tǒng)充電狀態(tài)（Buck模式），分別設(shè)計了電感電流環(huán)

6、和直流母線電壓環(huán)兩種控制方式； （2）針對鋰電池組系統(tǒng)放電狀態(tài)（Boost模式），設(shè)計了電感電流內(nèi)環(huán)和直流母線電壓外環(huán)的雙閉環(huán)控制方式。v下圖為鋰電池組充放電系統(tǒng)電路。3 雙向雙向DC-DC變換器控制策略設(shè)計變換器控制策略設(shè)計FBuck降壓降壓模式模式 對開關(guān)網(wǎng)絡(luò)利用狀態(tài)空間平均法進行小信號建模，受控源的開關(guān)周期平均值分別為 ： 受控電壓源： 受控電流源： ssTBUSTtvtdtv12 ssTLTtitdti113 雙向雙向DC-DC變換器控制策略設(shè)計變換器控制策略設(shè)計 svDsiRCs1RsiLssdVBUS1L0dL1BUS/-vBuck變換器小信號交流模型經(jīng)拉氏變換后可得：vBuck變

7、換器的占空比 至鋰電池側(cè)電流 的傳遞函數(shù)： sd1 siL ddBUSsvLbkidRRsCRRLCsLRCsRVsdsisGBUS002000113 雙向雙向DC-DC變換器控制策略設(shè)計變換器控制策略設(shè)計Buck模式電流環(huán)補償前后系統(tǒng)開環(huán)波特圖模式電流環(huán)補償前后系統(tǒng)開環(huán)波特圖 sGbki 設(shè)計電流環(huán)設(shè)計電流環(huán)PI調(diào)節(jié)調(diào)節(jié)器的轉(zhuǎn)折頻率為器的轉(zhuǎn)折頻率為70Hz，系統(tǒng)穿越頻率為，系統(tǒng)穿越頻率為700Hz 。 電流環(huán)補償后開環(huán)電流環(huán)補償后開環(huán)系統(tǒng)的幅值裕量為系統(tǒng)的幅值裕量為6.63dB，相位裕量為，相位裕量為48.4度。度。3 雙向雙向DC-DC變換器控制策略設(shè)計變換器控制策略設(shè)計FBoost升壓模

8、式升壓模式 對開關(guān)網(wǎng)絡(luò)運用狀態(tài)空間平均法進行小信號建模，受控源的開關(guān)周期平均值分別為 ： 受控電壓源： 受控電流源： ssTBUSTtvtdtv21 ssTLTtitdti22 0/122220siDRsvsvsCsdIsvsvDsdVsiLssiRCsRLBUSBUSdcLOCBUSBUSLLd3 雙向雙向DC-DC變換器控制策略設(shè)計變換器控制策略設(shè)計vBoost變換器小信號交流模型經(jīng)拉氏變換后可得：vBoost變換器的占空比 至電感電流 的傳遞函數(shù)：vBoost變換器的電感電流 至直流母線電壓 的傳遞函數(shù)： sd2 siL siL svBUS 22ddcd2dcdcBUS0sv2Lboid

9、DRRsCRRLsLCR2sRCVsdsisGOC 2dcd220svLBUSboviD2sRCRLsRDsisvsGOC3 雙向雙向DC-DC變換器控制策略設(shè)計變換器控制策略設(shè)計Boost模式電流環(huán)補償前后系統(tǒng)開環(huán)波特圖模式電流環(huán)補償前后系統(tǒng)開環(huán)波特圖 設(shè)計電流環(huán)設(shè)計電流環(huán)PI調(diào)節(jié)調(diào)節(jié)器的轉(zhuǎn)折頻率為器的轉(zhuǎn)折頻率為10Hz，系統(tǒng)穿越頻率為，系統(tǒng)穿越頻率為100Hz 。 電流環(huán)補償后開環(huán)電流環(huán)補償后開環(huán)系統(tǒng)的幅值裕量為系統(tǒng)的幅值裕量為4.8dB，相位裕量為，相位裕量為169度。度。3 雙向雙向DC-DC變換器控制策略設(shè)計變換器控制策略設(shè)計Boost模式電壓環(huán)補償前后系統(tǒng)開環(huán)波特圖模式電壓環(huán)補償前

10、后系統(tǒng)開環(huán)波特圖 設(shè)計電壓環(huán)設(shè)計電壓環(huán)PI調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)器的轉(zhuǎn)折頻率為的轉(zhuǎn)折頻率為1Hz，系，系統(tǒng)穿越頻率為統(tǒng)穿越頻率為10Hz 。 電壓環(huán)補償后開環(huán)電壓環(huán)補償后開環(huán)系統(tǒng)的幅值裕量為系統(tǒng)的幅值裕量為40.8dB，相位裕量為，相位裕量為83.2度。度。4 系統(tǒng)仿真結(jié)果及分析系統(tǒng)仿真結(jié)果及分析F12C 73Rd.84R0.H400F300表5-1 鋰電池組儲能系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計系統(tǒng)參數(shù)系統(tǒng)參數(shù)數(shù)值數(shù)值鋰電池組儲能系統(tǒng)功率P1kW直流母線電壓VBUS550V鋰電池組側(cè)電壓UBa200V鋰電池組等效電路參數(shù)儲能電感L直流母線電容CdcIGBT開關(guān)頻率fsw10kHzF鋰電池組儲能系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計鋰電池組儲能系統(tǒng)參數(shù)

11、設(shè)計4 系統(tǒng)仿真結(jié)果及分析系統(tǒng)仿真結(jié)果及分析恒壓控制方式電感電流和直流母線電壓波形恒壓控制方式電感電流和直流母線電壓波形恒功率控制方式電感電流、直流母線電壓及功率波形恒功率控制方式電感電流、直流母線電壓及功率波形v基于PLECS和MATLAB，分別采用恒壓和恒功率控制方式完成雙向DC-DC變換器降壓仿真對比實驗。4 系統(tǒng)仿真結(jié)果及分析系統(tǒng)仿真結(jié)果及分析RTG提升集裝箱且鋰提升集裝箱且鋰電池組供電時，電感電池組供電時，電感電流、母線電壓以及電流、母線電壓以及負(fù)載電機參數(shù)波形負(fù)載電機參數(shù)波形4 系統(tǒng)仿真結(jié)果及分析系統(tǒng)仿真結(jié)果及分析制動過程中采用電流環(huán)控制器制動過程中采用電流環(huán)控制器制動過程中采用電

12、壓環(huán)控制器制動過程中采用電壓環(huán)控制器RTG下放集裝箱時，電感電流、母線電壓以及負(fù)載電機參數(shù)波形下放集裝箱時，電感電流、母線電壓以及負(fù)載電機參數(shù)波形v 采用電壓環(huán)控制器充電，在1s時：v 負(fù)載電機動能：v 200V鋰電池組充電功率： v 能量回收效率： v 本設(shè)計鋰電池組儲能系統(tǒng)對起重機制動能量的回收效率為4 系統(tǒng)仿真結(jié)果及分析系統(tǒng)仿真結(jié)果及分析W920mN5srad184W790A953V200 .%.985W920W79086%，該效率是較理想情況下得到的，忽略了雙向DC-DC變換器的控制環(huán)暫態(tài)過程和鋰電池組的損耗。v采用電壓環(huán)控制器時，母線電壓保持恒定處于550V左右，達(dá)到很好的能量回收效果，實現(xiàn)了較高的再生能量回收效率。LO