姜磊 趙君慶

（天津港太平洋國際集裝箱碼頭有限公司 天津 300463）

1 課題背景

近年來，國內很多專業(yè)集裝箱碼頭完成了場橋油改電工程，改造后場橋在箱區(qū)內的作業(yè)時使用市電，在轉場過程中仍使用柴油發(fā)電機組，即所謂“雙動力場橋”。由于柴電能耗要高于市電，所以油改電工程給各碼頭帶來了可觀的經濟效益。為此，使用新能源設備進行轉場成為油改點工程后各碼頭著手研究發(fā)展的課題之一。

2 項目實施的客觀條件

因為這是改造項目，所以方案的選擇考慮到了場橋作業(yè)工況和技術條件的要求，這包括安裝空間是否充足、安裝平臺強度是否滿足、輪壓負荷是否允許、新系統(tǒng)是否兼容和對老系統(tǒng)是否有電氣危害等因素。根據(jù)公司作業(yè)工況，改造方案拆除柴油發(fā)電機組，因此方案的實施考慮了如下幾個條件。

2.1 新系統(tǒng)需安裝在一個獨立的機房內，為系統(tǒng)提供良好的工作環(huán)境，這個機房稱作電池機房。

2.2 電池機房的安裝位置確定在原柴油發(fā)電機組的平臺，將柴油發(fā)電機組拆除后的空間供其安裝。

2.3 設計平臺新的布局，預留盡量大的安裝空間、確定電池房的外形尺寸。

2.4 根據(jù)場橋海陸兩側負荷情況進行輪壓計算，確定電池房的最大重量4噸。

2.5 系統(tǒng)的三個重要電氣指標：第一、滿足在電池驅動、SOC在40%以上，全速給大車跑行2500米、轉向次數(shù)20次以及在上述轉場過程中的10%速度給卷揚和全速給小車。第二、場橋在轉場過程中，要實現(xiàn)所有輔助用電設備不間斷供電。第三、能夠滿足日常30度電的維修工作。

3 系統(tǒng)設計方案

綜合考慮上述幾個問題，系統(tǒng)設計的關鍵點包括儲能元件、逆變電源和系統(tǒng)安全等三個因素。

3.1 儲存元件的選擇

常用的動力系統(tǒng)儲存元件主要為三種：傳統(tǒng)的VRLA電池、鋰離子電池和超級電池。VRLA電池（閥控鉛酸電池）最大的優(yōu)勢是穩(wěn)定性較好，但其重量比能量較小，安裝空間和自重的適應性較差。鋰離子電池具有重量比能量比較大的優(yōu)勢，約為VRLA電池的一倍，是全球比較關注的新能源材料。但其價格昂貴和穩(wěn)定性差的兩大不足使其在汽車行業(yè)中仍處于試驗階段，可靠性不是很令人滿意。超級電池是在原來的VRLA電池或鉛碳電池基礎上升級的新產品，通過改進極板材料和工藝，增大了電池充發(fā)電的電流和提高了響應時間，使其具有“超級電容”的充放電特性，同時電池的質量比能量得到一定降低，從而提高了其可應用性。

表1 三種常用電池的比較

如上表1所示的數(shù)據(jù)，綜合考慮使用超級電池作為此系統(tǒng)的儲存元件。超級電池共48節(jié)串聯(lián)，單節(jié)電池電壓12V,容量為120AH，最大放電電流可達到300A。電池組在10%SOC時端電壓為580V,在100%SOC時端電壓為624V，滿足系統(tǒng)要求。

3.2 逆變電源的選擇

根據(jù)場橋系統(tǒng)的要求，逆變電源的容量60KW、交流輸入電壓380VAC—480VAC、直流輸入電壓450VDC—750VDC、交流輸出電壓380VAC—480VAC，可是實現(xiàn)交直流輸入在線“零縫隙”切換。考慮到轉向油泵在啟動時會有5倍的電流，所以在直流母線上安裝了一個18.5 KW的變頻器，用于驅動轉向油泵電機，從而保護逆變電源。

3.3 系統(tǒng)安全的考慮

系統(tǒng)安全的考慮要充分考慮到電氣隔離、控制連鎖和系統(tǒng)安全等因素，同時在操作上不要給司機增加過多的環(huán)節(jié)。設計思路要從直流主電路接口、交流主電路接口和控制電路接口三個方面著手。直流接口作外接式，即將電池直流母線和場橋變頻器直流母線外接，線路設置空氣開關、接觸器、二極管和保險等保護裝置，使外界系統(tǒng)做到安全隔離?？刂平涌谠O計到兩套系統(tǒng)之間的I/O聯(lián)絡，逆變電源的控制和保護，直流母聯(lián)的控制和保護，電池狀態(tài)監(jiān)測和維護以及場橋電池用電時的控制和保護等。

4 系統(tǒng)改造

系統(tǒng)改造包括機械平臺加固、電池房吊裝、電氣安裝和調試等諸方面工作。

4.1 機械平臺加固和元件布置

場橋輪壓計算結果：發(fā)動機房自重為8噸，電氣室自重為4噸，而電池機房自重4噸，因此安裝電池機房后，電氣室側輪壓增加1噸，達到33噸，場橋輪胎輪壓在充氣良好時一般為35噸，滿足要求。

平臺加強改造：在原平臺槽鋼框架的基礎上，可以用相同槽鋼框架疊了一層，對平臺進行了加強改造，同時在機房內側使用方管安裝機房的防撞護杠。

平臺布置方案：在滿足元器件散熱空間和維修空間的基礎上，要考慮配重平衡，更重要的是柴油發(fā)電機組拆除后原有信號電纜及動力電纜的長度，盡量避免出現(xiàn)電纜有接頭的情況。

4.2直流主電路

電池系統(tǒng)的直流連接為外接式，直流母線正極安裝二極管的目的是避免變頻器對電池組進行充電，直流母線負極安裝分流器進行電流采集、反饋和控制。

在電池側的直流母線上安裝了EPS（逆變電源）以供場橋系統(tǒng)控制電源和輔助設備以及電池系統(tǒng)輔助、控制電源使用。母線正極安裝二極管，作用是除了截止電池不充電外，保證EPS交直流切換時供電的不間斷。

在變頻器側的直流母線上安裝了轉向油泵電機變頻器，用于對轉向油泵進行軟啟動控制，目的是保護EPS。

4.3 交流主電路

電池系統(tǒng)和場橋系統(tǒng)在交流方面的連接方式為嵌入式，即將EPS嵌入接在輔助電路中。EPS交流進線來自3MCB下口（原輔助變壓器一次側），其經過460/510V（機房內）三相升壓變壓器后接入。交流輸出接濾波器和升壓自耦變壓器400/460V（戶外）接到后分成兩路，一路給場橋的變壓器一次側。另一路給場橋變頻器控制電源和配電柜冷卻風機。變壓器二次側輸出分為兩路：一路給場橋輔助電路，另一路給電池系統(tǒng)輔助電路?？紤]到故障情況，不影響場橋作業(yè)，EPS交流出線側安裝了旁路開關。

4.4 電池系統(tǒng)輔助電路

4.4.1 EPS控制

EPS的運行和停止完全依靠外圍硬件來完成。運行命令為兩個信號并聯(lián)：一個是發(fā)動機電瓶搭鐵開關，當搭鐵開關合上后，電瓶電源主線路上的接觸器會吸合，接觸器上的常開觸點會接通EPS運行命令，這樣做的原因是出于不改變司機原來的操作習慣；另一個是維修用的上電開關，直接接入EPS運行端子。EPS的停止是通過在停止端子上接入緊停開關來實現(xiàn)的。另外，EPS具有自我保護功能，故障情況能自動關斷，同時反饋信號接入電池控制器用于切斷直流母聯(lián)。

4.4.2 直流母聯(lián)控制

在使用市電作業(yè)的情況下，母聯(lián)接觸器斷開，電池母線和變頻器直流母線隔離；在使用電池轉場作業(yè)時，電池控制器在檢測到市電信號無、控制電源合信號有、電池電量充足信號有以及母聯(lián)空氣開關、電池狀態(tài)良好等信號有的情況下，控制緩沖接觸器和主接觸器先后吸合，從而完成母聯(lián)連接，上述任何條件的不滿足，母聯(lián)將關斷。

4.4.3 充電控制

在使用市電作業(yè)的情況下，電池控制器檢測到市電信號有即對電池進行充電。充電過程分為恒流充電和涓流充電，同時冷卻風機間斷周期開啟，輔助電池房空調，為電池提供良好的環(huán)境溫度。

4.4.4 轉向變頻器運行控制

在轉向操作時，轉向油泵電機接觸器吸合后，其常開觸點信號接入變頻器運行端子，變頻器進行起動加速，從而完成轉向泵電機的軟啟動。在變頻器故障時，故障信號接入場橋PLC，用于故障維修；場橋PLC的復位信號接入轉向變頻器，用于進行故障復位。如果轉向變頻器故障不能解決，變頻器的出線側安裝了旁路電路，可以進行旁路操作，從而不影響場橋正常作業(yè)。

4.4.5 電池電量指示

場橋電量顯示分別安裝在兩個地方。一個是在司機室安裝數(shù)碼顯示器，實時顯示電池SOC和續(xù)航情況，其實現(xiàn)方式是通過控制器進行串行通訊實現(xiàn)的。另外一個是在大車腿部安裝一個四色指示燈，其通過場橋PLC根據(jù)電池系統(tǒng)的電量信號進行二次處理實現(xiàn)的，便于維護人員檢查電池電量的情況，從而進行合理使用和管理。

5 改造過程

系統(tǒng)改造分為如下幾個階段，系統(tǒng)設計、產品選型、裝置制作、平臺改造、機械安裝、電氣安裝、系統(tǒng)調試、系統(tǒng)測試、試運行、驗收培訓和正式運行。

6 結語

此改造經過運行實驗結果顯示，電池運行效果較好，基本處于浮充狀態(tài)，使用一天電池消耗不到5%，溫升基本為零。新系統(tǒng)得到了場橋司機的喜愛，這主要有三點理由：一是省略了發(fā)動機啟動和熄滅的時間，場橋司機的操作強度得到降低，使作業(yè)真正實現(xiàn)了無污染無噪音操作。二是場橋轉場（過街）時間由原來的5分鐘，下降到現(xiàn)在的不到3分鐘，轉場效率大幅提升，進一步提高了設備的用電率。二是使用了電池和EPS后，輔助用電設備實現(xiàn)了不間斷供電，提高了作業(yè)的安全性和便捷性。此外，電池能夠提供常規(guī)的維修用電，從而基本實現(xiàn)了油改電場橋的零排放運行維護管理。

這種基于超級電池的轉場系統(tǒng)，為場橋使用提供了可靠的動力源，從而可以進一步提高場橋的可靠性和經濟性。