卷扬机能量回收系统设计与仿真

赵芳伟，张 翔，林伟青，郑文鑫

（福建农林大学 机电工程学院，福建 福州 350002）

工程机械混合动力系统主要是在卷扬机下放负载时回收由负载重力势能转化的电能，将这部分电能存储起来，当提升或者负载大时和发电机一起对系统供电.回收和释放能量的过程在短时间内进行，这就要求储能元件具有良好的充放电特性，能够迅速充电和放电.工程机械工作环境一般都比较恶劣，湿度、温度等变化很大，因此作为卷扬机的能量回收系统必须能够符合卷扬机的工作特性要求.相比蓄电池而言，超级电容主要有以下特点［1－2］：①电容量大，目前单体超级电容的最大电容量可达10 000F；②充放电寿命长，可达1 000 000次，或者180 000h；③充电迅速，使用便捷，可以在很宽的温度范围内正常工作；④无污染，真正免维护.

基于超级电容的优越特性，超级电容极其适用于卷扬机的储能器，设计以超级电容为储能单元的卷扬机能量回收系统符合工业上对机械的要求.

1 卷扬机能量回收计算

在以卷扬机为动力机构的起重机中，可回收的再生能量主要是起升工作机构下降回馈的再生能量，以及各工作机构制动形成的再生能量，而由制动产生的再生能量相对起升机构下降由势能变化形成的再生能量要小得多［3－4］，因此在能量回收计算中通常只计算起升机构下降产生的重力势能，并乘以一定系数.

根据能量守恒定律，有

式中：m为起重物质量，h为起重高度，v为起升速度.

在起重机械设备中，起升速度v不能按自由落体计算.同时需要说明的是，货物的下降速度是有限制的，起重设备的货物加速度一般控制在0.5g以内，回收的能量可近似按（g－0.5）／g的百分比计算，约为95%（这里没有按动能来说明，是因为h不确定，而且当加速到设计速度后加速度为零，因此实际可能回收的能量还要大），同时由于机械传动部分有一部分动能损耗，机械传动效率和摩擦阻力所产生的能量损耗，再加上回收单元的效率损耗，理论回收与利用效率可在70%以上.该卷扬机系统中，高度h＝26m，最大吊重量m＝700kg，g＝9.8m·s－2，代入式（1），则理论回收势能

重物下降过程中加速、减速阶段（1～3s）动能变化相对势能变化很小，而匀速运动阶段动能不变，故最大回收能量取为最大势能差.在该交流变频控制的卷扬机动力装置中，滑轮组效率ηH＝0.97，卷筒效率ηJ＝0.9，减速齿轮传动效率ηJI＝0.95，异步电动机效率ηY＝0.95，逆变器效率ηNI＝0.95，超级电容充电效率ηC＝0.9，则超级电容器在一个重物下降过程实际能回收的最大能量

2 超级电容选型及控制电路设计

2.1 超级电容选型

常见的超级电容有三种组合方式：串联、并联和串并混联方式.为满足应用中的电压需求，串联方式需要将多个单体串联，缺点是在串联组件上个体电压分配不均.在充电过程中，超级电容本身固有的充电电阻是一个动态的量，具有一定的分散性，使得调整电阻变化的控制电路极其复杂，难以实现逐点控制.并联超级电容组件在放电过程中可以输出或接受较大的电流，从而获得很高的输出功率，但为了避免放电电流过大，保证许可的输出功率，要适当控制组件的储能量.串并混联的超级电容结合了串联和并联方式的优点，避免两种方式各自的不足，因此电路中的超级电容选用串并混联方式.

对于超级电容容量的大小，在现有的应用中，计算超级电容的参数主要采用的是能量约束法.设超级电容额定工作电压为UW，最低工作电压为Umin.放电电流为ic（t）时，若满足Umin≪UW，则可以忽略等效串联电阻RES的存在，超级电容等效为理想电容.对于额定电容量为CF的超级电容，其可释放的储能量WC可表示为

假设储能单元由m个超级电容串联，n组超级电容并联，理想情况超级电容储能阵列存储的能量WS满足下式：

通过式（3）确定阵列所需超级电容的个数为

当卷扬机系统中完全靠超级电容供电提供重物提升时，超级电容可释放的储能量WC至少为

由式（2）可得，超级电容最小的容量值

选择超级电容组额定电压VW＝300V，考虑安全因素单体电压取VC＝2.5V，则单组应串联的超级电容单体个数为

单组串联电容容量值为

电容组数为

因此，该方案中采用的是三组由120个超级电容单体串联后并联而成的超级电容组，其总容量值为9.99F，额定工作电压为300V.超级电容的设计计算中充分考虑了回收时的能量损耗，保证了超级电容容量具有充分的盈余.

2.2 控制电路设计

超级电容控制系统Simulink［5］框图如图1所示，包括超级电容、电感、单相桥、充电控制模块和放电控制模块等.根据当前超级电容两端的电压值和电动机的工作模式决定是否对超级电容进行充电、放电或关闭的操作.当电机处于电动状态时，若超级电容两端的电压高于200V，则超级电容对外放电，提供电机部分电流；当电机处于发电状态时，若超级电容两端电压低于320V，则对超级电容进行充电，回收再生制动能量；其他情况下超级电容DC／DC电路关闭，由电源系统提供电机所需的功率.

图1 超级电容控制系统模块Fig.1 Control system module of super－capacitor

3 Simulink仿真

3.1 Simulink仿真建模

卷扬机下放重物时电机处于发电状态，电机由于位能或惯性，其转速会超过同步转速，产生再生制动能量.再生能量通过与驱动电机变频器逆变桥关联的续流二极管的整流作用，反馈到直流母线，直流母线产生泵升电压，通过DC／DC变换器给超级电容充电.当超级电容电压超出额定值，电容充电停止，多余能量以热能耗散掉.重物上升时，优先使用超级电容中的电能，超级电容放电.当超级电容的容量小于安全工作最小值时，系统自动切断超级电容供电系统，采用外接电源供电.基于超级电容的卷扬机能量回收系统 Matlab／Simulink仿真如图2所示.

图2 混合动力能量回收系统整体模型Fig.2 Hybrid－driving energy－recovery system model

电机电路采用直接转矩控制（DTC）的感应电动机驱动，速度调节采用空间矢量脉宽调制（SVPWM）.逆变器产生一个电压脉冲信号给电机，速度的控制环使用一个PI控制器产生磁链和转矩作为直接转矩控制块参考值.直接转矩控制块计算电机转矩和磁链大小，并与它们各自的参考值比较，然后转矩和磁链由独立的PI控制器控制，计算出圆周率参考电压矢量.电压源逆变器通过空间矢量调制方法输出所需的参考电压.电气系统中包含一个DC／DC变换器，用于连接超级电容与DC母线.DC／DC变换器根据超级电容端电压和永磁同步电动机工作状态进行判断，可工作在升压和降压状态.

3.2 Simulink仿真结果分析

开始运行时，将电机转速调为1 500r·min－1，运行20s后电机转速调为－1 500r·min－1，施加大小为11kN·m的恒转矩负载.相应地，当重物被提升时，超级电容放电；重物被下放时，超级电容充电.通过仿真，得到的超级电容信号（电压和电流），如图3所示.设定超级电容充放电电流为10A，超级电容端电压从250V下降到200V，并保持在200V大小，直到永磁同步电机反转.重物下降时，超级电容充电电流接近10A，电压开始上升，在电机运行时间为40s的时候达到244V.

图3 超级电容电流Fig.3 Current of super capacitor

图4 超级电容电压Fig.3 Voltage of super capacitor

4 结论

从卷扬机混合动力系统的仿真结果显示，卷扬机提升和下放重物过程中，超级电容充放电电流和电压变化极小，处于相对稳定的状态，电压值始终介于超级电容的合理工作电压区间.结果表明，以超级电容为储能单元的混合动力驱动单元适用于以卷扬机为动力系统的起重工程机械，理论上能够回收一定的能量，并且在同样的负载和运行条件下，超级电容的充放电电流越大，回收的能量就越多.

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