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【摘 要】集装箱码头实施油改电工程后，场桥的作业需要双动力源完成，本文介绍了一种保留原场桥的柴油发电机组，基于超级电池的转场系统的研发过程及应用情况。
【关键词】双动力场桥 超级电池 转场系统
一、课题背景
近年来，国内很多专业集装箱码头完成了场桥油改电工程，改造后场桥在箱区内的作业时使用市电，在转场过程中仍使用柴油发电机组，即所谓“双动力场桥”。场桥的转场仍需柴油发电机组完成，市电—柴电的频繁切换导致发动机磨损增加，场桥“零排放”未能实现，转场灵活性降低影响作业效率。为此，使用新能源设备进行转场成为油改点工程后各码头着手研究发展的课题之一。
二、系统可行性分析
系统可行性分析主要依据是场桥作业工况和技术参数，具体包括如下几个条件：
安装空间：系统需安装在独立机房内，称作电池机房。根据场桥空间确定电池房外形尺寸最大为2.2m（L）*1.5m（W）*2.6m（H）。
轮压负荷：根据场桥海陆两侧负荷情况进行轮压计算，确定电池房的最大重量4吨。
系统性能：首先满足在电池驱动下SOC保持在40%以上；其次连续转向20次；最后满足辅助设备不间断供电。
三、系统设计方案
在可行性分析的基础上得出系统设计的关键点包括储能元件、逆变电源、电气隔离、控制连锁和系统安全等因素。
（一）储存元件的选择。常用的动力系统储存元件主要为三种：传统的VRLA电池、锂离子电池和超级电池。三种元件的性能对比如下表所示：
如表一所示数据，综合考虑使用超级电池为系统的储存元件。超级电池共48节串联，单节电池电压12V，容量为120AH，最大放电电流可达到300A。电池组在10%SOC 时端电压为580V，在100%SOC时端电压为624V，满足系统要求。
（二）逆变电源的选择
根据场桥系统的要求，逆变电源的容量60KW、交流输入电压380VAC—480VAC、直流输入电压450VDC—750VDC、交流输出电压380VAC—480VAC，可是实现交直流输入在线“零缝隙”切换。
（三）系统设计的思路。为了使场桥改造后司机的操作不受太大影响，设计思路要从直流主电路接口、交流主电路接口和控制电路接口三个方面着手。直流接口作外接式，即将电池直流母线和场桥变频器直流母线外接，线路设置空气开关、接触器、二极管和保险等保护装置，使外界系统做到安全隔离。交流接口为嵌入式，即将逆变电源“镶嵌”在交流主电路中，同时设置旁路开关作为应急操作使用。控制接口设计到两套系统之间的I/O联络，逆变电源的控制和保护，直流母联的控制和保护，电池状态监测和维护以及场桥电池用电时的控制和保护等。
（四）直流主电路。电池系统的直流连接为外接式，直流母线正极安装二极管的目的是避免变频器对电池组进行充电，直流母线负极安装分流器进行电流采集、反馈和控制。
在电池侧的直流母线上安装了EPS（逆变电源）以供场桥系统控制电源和辅助设备以及电池系统辅助、控制电源使用。母线正极安装二极管，作用是除了截止电池不充电外，保证EPS交直流切换时供电不间断。
（五）交流主电路。电池系统和场桥系统在交流方面的连接方式为嵌入式，即将EPS嵌入接在辅助电路中。EPS交流进线来自场桥原电路，EPS输出分返回场桥辅助变压器供给场桥辅助电路和电池系统控制回路。
（六）控制回路
1.EPS启停控制。EPS启动命令包括维修用的上电开关和电瓶接触器触点，两个启动信号并联接入EPS的外部控制端子。EPS的停止是通过在停止端子上接入紧停开关来实现的。另外，EPS具有自我保护功能，故障情况能自动关断，同时反馈信号接入电池控制器用于切断直流母联。
2.直流母联控制。在使用市电/柴电作业的情况下，母联接触器断开，电池母线和变频器直流母线隔离；在使用电池转场作业时，电池控制器在检测到市电/柴电信号无、控制电源合信号有、电池电量充足信号有以及母联空气开关、电池状态良好等信号有的情况下，控制缓冲接触器和主接触器先后吸合，从而完成母联连接，上述任何条件的不满足，母联将关断。
3.充电控制。在使用市电/柴电作业的情况下，电池控制器检测到市电/柴电信号有即对电池进行充电。充电过程分为恒流充电和涓流充电，同时冷却风机间断周期开启，辅助电池房空调，为電池提供良好的环境温度。
四、系统改造
系统改造包括平台加固、电池房吊装、电气调试等工作：
（一）平台加固。在原平台14#槽钢框架的基础上，我们用14#槽钢框架叠了一层，对平台进行了加强改造， 同时在机房内侧使用150*100方管安装了机房的防撞护杠。
（二）平台布置方案。在满足元器件散热空间和维修空间的基础上，考虑配重平衡完成吊装。
（三）电气调试。安装完成后，根据系统控制功能和技术性能要求进行调试，启停控制、直流回路、交流回路、电池充放电以及极限工况测试均顺利通过，技术性能达成设计指标的要求。
五、结束语
投入运行后系统工作状态良好，电池基本处于浮充状态。系统实现了场桥无污染无噪音操作；提高了场桥转场效率和用电率。二是使用了电池和EPS后，辅助用电设备实现了不间断供电，提高了作业的安全性和便捷性。综上所述，该系统实现了场桥的零排放，提高场桥的可靠性和经济性。
【关键词】双动力场桥 超级电池 转场系统
一、课题背景
近年来，国内很多专业集装箱码头完成了场桥油改电工程，改造后场桥在箱区内的作业时使用市电，在转场过程中仍使用柴油发电机组，即所谓“双动力场桥”。场桥的转场仍需柴油发电机组完成，市电—柴电的频繁切换导致发动机磨损增加，场桥“零排放”未能实现，转场灵活性降低影响作业效率。为此，使用新能源设备进行转场成为油改点工程后各码头着手研究发展的课题之一。
二、系统可行性分析
系统可行性分析主要依据是场桥作业工况和技术参数，具体包括如下几个条件：
安装空间：系统需安装在独立机房内，称作电池机房。根据场桥空间确定电池房外形尺寸最大为2.2m（L）*1.5m（W）*2.6m（H）。
轮压负荷：根据场桥海陆两侧负荷情况进行轮压计算，确定电池房的最大重量4吨。
系统性能：首先满足在电池驱动下SOC保持在40%以上；其次连续转向20次；最后满足辅助设备不间断供电。
三、系统设计方案
在可行性分析的基础上得出系统设计的关键点包括储能元件、逆变电源、电气隔离、控制连锁和系统安全等因素。
（一）储存元件的选择。常用的动力系统储存元件主要为三种：传统的VRLA电池、锂离子电池和超级电池。三种元件的性能对比如下表所示：
如表一所示数据，综合考虑使用超级电池为系统的储存元件。超级电池共48节串联，单节电池电压12V，容量为120AH，最大放电电流可达到300A。电池组在10%SOC 时端电压为580V，在100%SOC时端电压为624V，满足系统要求。
（二）逆变电源的选择
根据场桥系统的要求，逆变电源的容量60KW、交流输入电压380VAC—480VAC、直流输入电压450VDC—750VDC、交流输出电压380VAC—480VAC，可是实现交直流输入在线“零缝隙”切换。
（三）系统设计的思路。为了使场桥改造后司机的操作不受太大影响，设计思路要从直流主电路接口、交流主电路接口和控制电路接口三个方面着手。直流接口作外接式，即将电池直流母线和场桥变频器直流母线外接，线路设置空气开关、接触器、二极管和保险等保护装置，使外界系统做到安全隔离。交流接口为嵌入式，即将逆变电源“镶嵌”在交流主电路中，同时设置旁路开关作为应急操作使用。控制接口设计到两套系统之间的I/O联络，逆变电源的控制和保护，直流母联的控制和保护，电池状态监测和维护以及场桥电池用电时的控制和保护等。
（四）直流主电路。电池系统的直流连接为外接式，直流母线正极安装二极管的目的是避免变频器对电池组进行充电，直流母线负极安装分流器进行电流采集、反馈和控制。
在电池侧的直流母线上安装了EPS（逆变电源）以供场桥系统控制电源和辅助设备以及电池系统辅助、控制电源使用。母线正极安装二极管，作用是除了截止电池不充电外，保证EPS交直流切换时供电不间断。
（五）交流主电路。电池系统和场桥系统在交流方面的连接方式为嵌入式，即将EPS嵌入接在辅助电路中。EPS交流进线来自场桥原电路，EPS输出分返回场桥辅助变压器供给场桥辅助电路和电池系统控制回路。
（六）控制回路
1.EPS启停控制。EPS启动命令包括维修用的上电开关和电瓶接触器触点，两个启动信号并联接入EPS的外部控制端子。EPS的停止是通过在停止端子上接入紧停开关来实现的。另外，EPS具有自我保护功能，故障情况能自动关断，同时反馈信号接入电池控制器用于切断直流母联。
2.直流母联控制。在使用市电/柴电作业的情况下，母联接触器断开，电池母线和变频器直流母线隔离；在使用电池转场作业时，电池控制器在检测到市电/柴电信号无、控制电源合信号有、电池电量充足信号有以及母联空气开关、电池状态良好等信号有的情况下，控制缓冲接触器和主接触器先后吸合，从而完成母联连接，上述任何条件的不满足，母联将关断。
3.充电控制。在使用市电/柴电作业的情况下，电池控制器检测到市电/柴电信号有即对电池进行充电。充电过程分为恒流充电和涓流充电，同时冷却风机间断周期开启，辅助电池房空调，为電池提供良好的环境温度。
四、系统改造
系统改造包括平台加固、电池房吊装、电气调试等工作：
（一）平台加固。在原平台14#槽钢框架的基础上，我们用14#槽钢框架叠了一层，对平台进行了加强改造， 同时在机房内侧使用150*100方管安装了机房的防撞护杠。
（二）平台布置方案。在满足元器件散热空间和维修空间的基础上，考虑配重平衡完成吊装。
（三）电气调试。安装完成后，根据系统控制功能和技术性能要求进行调试，启停控制、直流回路、交流回路、电池充放电以及极限工况测试均顺利通过，技术性能达成设计指标的要求。
五、结束语
投入运行后系统工作状态良好，电池基本处于浮充状态。系统实现了场桥无污染无噪音操作；提高了场桥转场效率和用电率。二是使用了电池和EPS后，辅助用电设备实现了不间断供电，提高了作业的安全性和便捷性。综上所述，该系统实现了场桥的零排放，提高场桥的可靠性和经济性。