基于混合动力RTG的双向DC-DC变换器控制系统与方法技术方案

本发明专利技术公开一种基于混合动力RTG的双向DC‑DC变换器控制系统及方法，控制系统包括锂电池组、柴油发电机组、电动机负载；所述柴油发电机组通过整流器连接到直流母线排；电动机负载通过逆变器挂接在直流母线排上；所述锂电池组通过双向DC‑DC变换器连接到直流母线排；控制方法首先通过上层控制模块根据RTG实际工况和锂电池组工作特性预先确定直流母线排工作电压参考值和锂电池组充电电流参考值；切换控制模块根据RTG实时对外做功功率P以及锂电池组实时SOC进行升、降压控制模式的切换控制。本发明专利技术降低了RTG的能耗，同时提高了能量转换效率。

【技术实现步骤摘要】
基于混合动力RTG的双向DC-DC变换器控制系统与方法
本专利技术属于港机混合动力装置领域，特别是一种基于混合动力RTG的双向DC-DC变换器控制系统与方法。
技术介绍
随着环境问题和能源危机的日益严重，国际社会对环保、低耗、节能的要求不断提高。为保护环境，解决能源安全问题，减少对石油能源的依赖，我国也一直在大力发展清洁能源运输装备。近年来，我国港口集装箱吞吐量已连续多年保持世界第一，轮胎式集装箱起重机(RTG)已成为我国集装箱港区堆场的主要装卸运输设备，这种设备的主要优点是机动灵活性好，能够全堆场调动，还具有装卸效率高、空间利用率高等特点。但传统RTG普遍以柴油发动机为动力，使用中不可避免地产生大量氮化物、硫化物、碳化物等混合废气，成为目前集装箱港区最主要的污染排放源。轮胎式集装箱门式起重机基本上可分为两种工作状态：驱动状态和再生反馈状态，在传统起重机中再生反馈的能量都由制动电阻消耗。传统的轮胎式集装箱门式起重机使用恒转速的柴油发电机组供电，发电机组在高速运行时会产生稳定的工频交流电源，此时电力电源可供给整个轮胎式集装箱门式起重机的电气设备使用。但在作业过程中经常出现怠工情况，即发电机组高速运行而不进行装卸工作，造成了大量的能源浪费，而发电机组的怠速时段不会产生稳定的电源，因此怠速状态下发动机的燃油消耗无法得到转换利用。另外由于RTG采用柴油发电机组供电，在启动时突加载荷，发电机组的功率响应跟不上，造成电压和频率突降，不但会造成燃油燃烧不充分，排放出黑烟，而且对电力系统的运行造成冲击，容易损坏电气设备，影响起重机的工作寿命。
技术实现思路
本专利技术所解决的技术问题在于提供一种基于混合动力RTG的双向DC-DC变换器控制系统与方法，以降低RTG的能耗，同时提高了能量转换效率。实现本专利技术目的的技术解决方案为：一种基于混合动力RTG的双向DC-DC变换器控制系统，包括锂电池组、柴油发电机组、电动机负载；所述柴油发电机组通过整流器连接到直流母线排；电动机负载通过逆变器挂接在直流母线排上；所述锂电池组通过双向DC-DC变换器连接到直流母线排；所述双向DC-DC变换器，用于当锂电池组对电动机负载供能时，将锂电池组的电压进行升压连到直流母线排，并保持直流母线排电压稳定，从而供RTG正常工作使用；当能量分别从柴油发电机端和电动机负载端反馈到直流母线排时，将直流母线排上的电压进行降压给锂电池组进行充电。一种基于混合动力RTG的双向DC-DC变换器控制方法，包括以下步骤：上层控制模块根据RTG实际工况和锂电池组工作特性预先确定母线排工作电压参考值和锂电池组充电电流参考值；切换控制模块根据RTG实时对外做功功率P以及锂电池组实时SOC进行升、降压控制模式的切换控制。本专利技术与现有技术相比，其显著优点：(1)采用锂电池组作为储能模块，通过采用恒压控制和均流控制，使RTG工作电压和锂电池组充电电流更加稳定，保障了RTG的正常工作运行，提高了设备的使用寿命，并且降低了柴油发电机的功率，使RTG能耗也大幅降低。(2)采用三相交错并联双向DC-DC变换器作为变换电路拓扑结构，并通过均流控制，使电感体积大幅降低，实现了变换电路的轻量化。(3)改造后的混合动力系统能够吸收工作过程中的再生反馈能量，提高了能量转换利用效率，降低了工作成本，对环境也更加友好。下面结合附图对本专利技术作进一步详细描述。附图说明图1是本专利技术混合动力系统组成框图。图2是本专利技术双向DC-DC变换器拓扑结构原理图。图3是本专利技术双向DC-DC变换器控制系统结构原理图。图4是混合动力系统工作原理框图。图5是降压变换时，第一、第二、第三电感的电流波形。图6是降压变换时，锂电池端的充电电流波形。图7是升压变换时，直流母线排的工作电压波形。具体实施方式为了说明本专利技术的技术方案及技术目的，下面结合附图及具体实施例对本专利技术做进一步的介绍。结合图1，本专利技术的一种基于混合动力RTG的双向DC-DC变换器控制系统，包括锂电池组、柴油发电机组、电动机负载；所述锂电池组通过双向DC-DC变换器连接到直流母线排；所述柴油发电机组通过整流器连接到直流母线排；电动机负载通过逆变器挂接在直流母线排上；所述锂电池组，用于RTG正常工作供电；所述柴油发电机组，用于给锂电池组充电以及在锂电池组电量不足时与锂电池组联合给电动机负载供能；所述电动机负载，用于给RTG提供驱动力；所述双向DC-DC变换器，用于当锂电池组对电动机负载供能时，将锂电池组的电压进行升压连到直流母线排，并保持直流母线排电压稳定，从而供RTG正常工作使用；当能量分别从柴油发电机端和电动机负载端反馈到直流母线排时，将直流母线排的电压进行降压给锂电池组进行充电，并控制输出到锂电池组的电流稳定，保证锂电池组的充电安全和使用寿命。进一步的，所述双向DC-DC变换器包括第一高频开关管S1、第二高频开关管S2、第三高频开关管S3、第四高频开关管S4、第五高频开关管S5、第六高频开关管S6、第一电感L1、第二电感L2、第三电感L3、第一电容Cdc、第二电容Cbat；第一快恢复二极管D1、第二快恢复二极管D2、第三快恢复二极管D3、第四快恢复二极管D4、第五快恢复二极管D5、第六快恢复二极管D6；所述第一高频开关管S1的源极与第二高频开关管S2的漏极串联，第三高频开关管S3的源极与第四高频开关管S4的漏极串联，第五高频开关管S5的源极与第六高频开关管S6的漏极串联；串联后的第一高频开关管S1和第二高频开关管S2，第三高频开关管S3和第四高频开关管S4，第五高频开关管S5和第六高频开关管S6三路进行并联连接；所述第一高频开关管S1、第三高频开关管S3、第五高频开关管S5的漏极与直流母线排的正极相连；所述第二高频开关管S2、第四高频开关管S4、第六高频开关管S6的源极与直流母线排的负极相连；所述第一高频开关管S1和第二高频开关管S2之间与第一电感L1一端进行连接，第三高频开关管S3和第四高频开关管S4之间与第二电感L2一端进行连接，第五高频开关管S5和第六高频开关管S6之间与第三电感L3进行连接；电感L1、L2和L3的另一端均连接到锂电池组正极，第二电容Cbat与锂电池组并联；第一电容Cdc与直流母线排并联；所述第一快恢复二极管D1、第二快恢复二极管D2、第三快恢复二极管D3、第四快恢复二极管D4、第五快恢复二极管D5、第六快恢复二极管D6的阴极分别与第一高频开关管S1、第二高频开关管S2、第三高频开关管S3、第四高频开关管S4、第五高频开关管S5、第六高频开关管S6的漏极相连；所述第一快恢复二极管D1、第二快恢复二极管D2、第三快恢复二极管D3、第四快恢复二极管D4、第五快恢复二极管D5、第六快恢复二极管D6的阳极分别与第一高频开关管S1、第二高频开关管S2、第三高频开关管S3、第四高频开关管S4、第五高频开关管S5、第六高频开关管S6的源极相连；所述直流母线排的负极与锂电池组的负极相连。本专利技术的控制系统，还包括控制双向DC-DC变换器工作的控制器，所述控制器包括上层控制模块、切换控制模块、电压传感器VS1、第一电流传感器IS1、第二电流传感器IS2、第三电流传感器IS3、第一比较模块Comp1、第二比较模块Comp2、第三比较模块Comp3、第四比较模块本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于混合动力RTG的双向DC‑DC变换器控制系统，包括锂电池组、柴油发电机组、电动机负载；所述柴油发电机组通过整流器连接到直流母线排；电动机负载通过逆变器挂接在直流母线排上；其特征在于，所述锂电池组通过双向DC‑DC变换器连接到直流母线排；所述双向DC‑DC变换器，用于当锂电池组对电动机负载供能时，将锂电池侧的电压进行升压连到直流母线排，以保持母线排电压稳定，从而供RTG正常工作使用；当能量分别从柴油发电机端和电动机负载端反馈到直流母线排时，将直流母线排的电压进行降压给锂电池组进行充电。

【技术特征摘要】
1.一种基于混合动力RTG的双向DC-DC变换器控制系统，包括锂电池组、柴油发电机组、电动机负载；所述柴油发电机组通过整流器连接到直流母线排；电动机负载通过逆变器挂接在直流母线排上；其特征在于，所述锂电池组通过双向DC-DC变换器连接到直流母线排；所述双向DC-DC变换器，用于当锂电池组对电动机负载供能时，将锂电池侧的电压进行升压连到直流母线排，以保持母线排电压稳定，从而供RTG正常工作使用；当能量分别从柴油发电机端和电动机负载端反馈到直流母线排时，将直流母线排的电压进行降压给锂电池组进行充电。2.根据权利要求1所述的基于混合动力RTG的双向DC-DC变换器控制系统，其特征在于，所述双向DC-DC变换器包括第一高频开关管(S1)、第二高频开关管(S2)、第三高频开关管(S3)、第四高频开关管(S4)、第五高频开关管(S5)、第六高频开关管(S6)、第一电感(L1)、第二电感(L2)、第三电感(L3)、第一电容(Cdc)、第二电容(Cbat)；第一快恢复二极管(D1)、第二快恢复二极管(D2)、第三快恢复二极管(D3)、第四快恢复二极管(D4)、第五快恢复二极管(D5)、第六快恢复二极管(D6)；所述第一高频开关管(S1)的源极与第二高频开关管(S2)的漏极串联，第三高频开关管(S3)的源极与第四高频开关管(S4)的漏极串联，第五高频开关管(S5)的源极与第六高频开关管(S6)的漏极串联；串联后的第一高频开关管(S1)和第二高频开关管(S2)，第三高频开关管(S3)和第四高频开关管(S4)，第五高频开关管(S5)和第六高频开关管(S6)三路进行并联连接；所述第一高频开关管(S1)、第三高频开关管(S3)、第五高频开关管(S5)的漏极与直流母线排的正极相连；所述第二高频开关管(S2)、第四高频开关管(S4)、第六高频开关管(S6)的源极与直流母线排的负极相连；所述第一高频开关管(S1)和第二高频开关管(S2)之间与第一电感(L1)一端进行连接，第三高频开关管(S3)和第四高频开关管(S4)之间与第二电感(L2)一端进行连接，第五高频开关管(S5)和第六高频开关管(S6)之间与第三电感(L3)进行连接；第一电感(L1)、第二电感(L2)和第三电感(L3)的另一端均连接到锂电池组正极，第二电容(Cbat)与锂电池组并联；第一电容(Cdc)与直流母线排并联；所述第一快恢复二极管(D1)、第二快恢复二极管(D2)、第三快恢复二极管(D3)、第四快恢复二极管(D4)、第五快恢复二极管(D5)、第六快恢复二极管(D6)的阴极分别与第一高频开关管(S1)、第二高频开关管(S2)、第三高频开关管(S3)、第四高频开关管(S4)、第五高频开关管(S5)、第六高频开关管(S6)的漏极相连；所述第一快恢复二极管(D1)、第二快恢复二极管(D2)、第三快恢复二极管(D3)、第四快恢复二极管(D4)、第五快恢复二极管(D5)、第六快恢复二极管(D6)的阳极分别与第一高频开关管(S1)、第二高频开关管(S2)、第三高频开关管(S3)、第四高频开关管(S4)、第五高频开关管(S5)、第六高频开关管(S6)的源极相连；所述直流母线排的负极与锂电池组的负极相连。3.根据权利要求2所述的基于混合动力RTG的双向DC-DC变换器控制系统，其特征在于，还包括控制双向DC-DC变换器工作的控制器，所述控制器包括上层控制模块、切换控制模块、电压传感器(VS1)、第一电流传感器(IS1)、第二电流传感器(IS2)、第三电流传感器(IS3)、第一比较模块(Comp1)、第二比较模块(Comp2)、第三比较模块(Comp3)、第四比较模块(Comp4)、第一比例积分控制器(PI1)、第二比例积分控制器(PI2)、第三比例积分控制器(PI3)、第四比例积分控制器(PI4)、第一PWM脉宽调制模块(PWM1)、第二PWM脉宽调制模块(PWM2)、第三PWM脉宽调制模块(PWM3)、第一脉冲延时模块(delay1)、第二脉冲延迟模块(delay2)、第三脉冲延迟模块(delay3)以及驱动信号选择模块；所述上层控制模块用于给定直流母线排电压参考值和锂电...

【专利技术属性】
技术研发人员：陆宝春，张可可，翁朝阳，魏泽楷，
申请(专利权)人：南京理工大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32