本發(fā)明涉及儲能技術(shù)、港口起重機工作控制，尤其涉及港口電磁起重機及再生能量回收與循環(huán)利用方法和應(yīng)用。

背景技術(shù)：

1、起重機作為港口、碼頭常見的轉(zhuǎn)運設(shè)備，其由于轉(zhuǎn)運能力強，工作平穩(wěn)而被廣泛應(yīng)用，而起升電機作為起重機常見的工作部件，其承擔(dān)著重要的轉(zhuǎn)運工作，由于起升電機的工作特殊性，選用變頻電機作為起升電機已經(jīng)是當(dāng)下較為應(yīng)用廣泛的技術(shù)。

2、隨著變頻調(diào)速技術(shù)的發(fā)展及廣泛應(yīng)用，現(xiàn)港口機械電氣傳動調(diào)速方案主要采用交流變頻調(diào)速方案，當(dāng)港口起重機的起升電機組件在裝卸作業(yè)時會產(chǎn)生再生能量，其再生能量主要有兩種，一種是各機構(gòu)頻繁制動產(chǎn)生的慣性能，另一種是提升機構(gòu)貨物下降產(chǎn)生的勢能。因與機構(gòu)相對應(yīng)的起升電機由于慣性能或勢能的作用，使起升電機的轉(zhuǎn)速比變頻器輸出頻率所對應(yīng)的轉(zhuǎn)速還要高，起升電機處于再生發(fā)電狀態(tài)，產(chǎn)生的再生電能回饋到變頻器直流側(cè)濾波電容上，產(chǎn)生泵升電壓。由于，過高的泵升電壓有可能損壞開關(guān)器件、電解電容，甚至?xí)茐碾姍C的絕緣，從而威脅到系統(tǒng)安全工作。因此，這部分再生能量必須處理，傳統(tǒng)的一般處理再生能量的方法有能量消耗和能量回饋，其中，能量消耗是在變頻器直流側(cè)加放電電阻單元組件，將再生電能通過專門的能耗制動電路消耗在功率電阻上，轉(zhuǎn)化為熱能，因此稱為電阻制動。為保證系統(tǒng)安全運行，這部分電能不得不被電阻白白消耗成熱能，這也是傳統(tǒng)起重機變頻系統(tǒng)控制的解決方案；除此之外，能量回饋是通過加裝回饋裝置，使變頻器電網(wǎng)側(cè)變流器成為可逆的，將再生電能就地回收到電網(wǎng)，彌補了電能丟失的缺憾。該能量逆變回饋方式需解決如下幾個技術(shù)難題：

3、（1）起升電機在制動時的回饋能量對電網(wǎng)是一個沖擊源，對電網(wǎng)運行造成影響，同時會產(chǎn)生較多的諧波、閃變等污染問題，需要采用相應(yīng)的濾波裝置治理諧波；

4、（2）對于存在分布式發(fā)電系統(tǒng)的線路，由于電網(wǎng)和分布式系統(tǒng)間電流雙向流動，倒逆向電網(wǎng)的電能會造成電網(wǎng)電壓波動并增大電網(wǎng)的短路電流，對周圍設(shè)備電氣元件使用埋下安全隱患；

5、（3）對使用單位來講，回饋到電網(wǎng)的電能可計量，但該回饋的電能存在只有部分再利用的可能，即回饋的電能不能充分被使用單位利用，并且單臺設(shè)備再利用電能多少不易準(zhǔn)確的統(tǒng)計。

6、綜合上述，當(dāng)前對起重機采用變頻電機的起升電機進行再生能量回收和利用均存在一定的技術(shù)難題，而如何對再生能量回收和循環(huán)利用是提升起重機工作能效，以及保護系統(tǒng)工作可靠性的重要課題，若是能夠優(yōu)化再生能量回收和循環(huán)利用邏輯，對其進行技術(shù)改造，那么將會對起重機的工作優(yōu)化帶來積極的現(xiàn)實意義。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、有鑒于此，本發(fā)明的目的在于提出一種港口電磁起重機及再生能量回收與循環(huán)利用方法和應(yīng)用，本方案實施可靠、應(yīng)用靈活且能夠在對起重機的起升電機（變頻電機）所產(chǎn)生的再生能量進行回收和循環(huán)利用時，保障起重機的工作電路的穩(wěn)定性和安全性。

2、為了實現(xiàn)上述的技術(shù)目的，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案為：

3、一種再生能量回收與循環(huán)利用方法，用于變頻電機工作時的再生能量回收和利用，所述變頻電機電連接有變頻器，所述變頻器接入電網(wǎng)以輸入用于驅(qū)動變頻電機工作的電能，所述變頻器與變頻電機連接的電路上設(shè)有公共直流母線，所述公共直流母線上接入有能量管理器，所述能量管理器連接有儲能單元；其包括：

4、s01、實時采集變頻電機所接入的公共直流母線的電壓數(shù)據(jù)，生成電壓監(jiān)測數(shù)據(jù)；

5、s02、根據(jù)電壓監(jiān)測數(shù)據(jù)，按預(yù)設(shè)條件判斷變頻電機的工作狀態(tài)，生成電機狀態(tài)信息；

6、s03、能量管理器按預(yù)設(shè)時間頻率采集儲能單元的參數(shù)，且按預(yù)設(shè)條件生成儲能狀態(tài)信息；

7、s04、根據(jù)電機狀態(tài)信息，結(jié)合儲能單元的儲能狀態(tài)信息，通過所述能量管理器將儲能單元的工作狀態(tài)切換至第一狀態(tài)、第二狀態(tài)或第三狀態(tài)，第一狀態(tài)時，所述能量管理器控制所述儲能單元接入到公共直流母線中進行引入變頻電機產(chǎn)生的再生能量進行充電；第二狀態(tài)時，所述能量管理器控制所述儲能單元存儲的電能供應(yīng)到公共直流母線，以輔助變頻電機工作；第三狀態(tài)時，所述能量管理器控制所述儲能單元保持與公共直流母線的電連接中斷。

8、作為一種可能的實施方式，進一步，本方案所述變頻器包括整流裝置、逆變裝置和制動單元，所述整流裝置接入到電網(wǎng)中以輸入用于驅(qū)動變頻電機工作的電能，所述逆變裝置分別與整流裝置和變頻電機電連接，以用于將整流裝置接入的電能供應(yīng)至變頻電機，所述制動單元接入到所述整流裝置和所述逆變裝置之間的電路上，所述制動單元還連接有制動電阻，所述制動電阻用于在變頻電機處于發(fā)電狀態(tài)時，將其反饋到公共直流母線上的再生能量進行消耗。

9、作為一種可能的實施方式，進一步，本方案所述儲能單元包括電容管理模塊和至少一個超級電容；所述能量管理器包括雙向dc-dc驅(qū)動器和plc模塊，所述plc模塊與雙向dc-dc驅(qū)動器電連接，由plc模塊控制雙向dc-dc驅(qū)動器的工作狀態(tài)，所述雙向dc-dc驅(qū)動器還與至少一個所述超級電容電連接，所述電容管理模塊與所述plc模塊和至少一個所述超級電容電連接，其用于按預(yù)設(shè)時間頻率獲取至少一個所述超級電容的參數(shù)，且將其傳遞給plc模塊，以生成儲能狀態(tài)信息。

10、作為一種較優(yōu)的實施選擇，優(yōu)選的，本方案s01中，所述電壓監(jiān)測數(shù)據(jù)均對應(yīng)關(guān)聯(lián)有其所采集的時間點。

11、基于上述，作為一種較優(yōu)的實施選擇，優(yōu)選的，本方案s02包括：

12、s021、按時間序列匯集預(yù)設(shè)時長內(nèi)的電壓監(jiān)測數(shù)據(jù)，根據(jù)電壓監(jiān)測數(shù)據(jù)，計算每個電壓監(jiān)測數(shù)據(jù)與預(yù)設(shè)基準(zhǔn)電壓的差值和電壓變化率；

13、s022、判斷同一時間點t時的差值和電壓變化率，當(dāng)或，且電壓變化率或時，將該時間點t的變頻電機工作狀態(tài)定義為電動狀態(tài)，同時記錄該工作狀態(tài)的定義時間；

14、當(dāng)，且電壓變化率或電壓變化率時，將該時間點t的變頻電機工作狀態(tài)定義為發(fā)電狀態(tài)，同時記錄該工作狀態(tài)的定義時間，其中，為電壓變化率設(shè)定閾值；

15、s023、獲取變頻電機的工作狀態(tài)定義，生成電機狀態(tài)信息。

16、作為一種較優(yōu)的實施選擇，優(yōu)選的，本方案s023還包括：

17、獲取變頻電機的工作狀態(tài)定義，當(dāng)其指向時間點t變頻電機為發(fā)電狀態(tài)時，根據(jù)預(yù)設(shè)時間窗口t，獲取在時間點t之前時間段t內(nèi)變頻電機的工作狀態(tài)定義，當(dāng)變頻電機在該時間段t內(nèi)的工作狀態(tài)定義均為發(fā)電狀態(tài)時，將發(fā)電狀態(tài)作為電機狀態(tài)信息進行生成，當(dāng)工作狀態(tài)定義包括電動狀態(tài)時，將電動狀態(tài)作為電機狀態(tài)信息進行生成；其中，所述變頻電機在時間點t對應(yīng)的工作狀態(tài)定義和電機狀態(tài)信息分別單獨記錄且相互關(guān)聯(lián)。

18、基于上述，本方案還提供一種港口電磁起重機工作控制方法，其包括上述所述的再生能量回收與循環(huán)利用方法；其中，所述變頻電機為港口電磁起重機的起升電機；所述工作控制方法包括：響應(yīng)電磁起重機的啟動信號，執(zhí)行s01～s04；其還包括如下之一：

19、（1）建立關(guān)于變頻電機能量波動的數(shù)學(xué)模型，通過儲能單元進行平滑能量波動，以及按預(yù)設(shè)策略進行能量調(diào)度優(yōu)化；

20、（2）根據(jù)儲能單元的儲能狀態(tài)信息，對儲能單元進行充放電分配調(diào)節(jié)，以均衡儲能單元中各子單元的負載。

21、作為一種較優(yōu)的實施選擇，優(yōu)選的，本方案建立關(guān)于變頻電機能量波動的數(shù)學(xué)模型，通過儲能單元進行平滑能量波動，以及按預(yù)設(shè)策略進行能量調(diào)度優(yōu)化包括：

22、a01、建立能量波動的數(shù)學(xué)模型，基于電磁起重機采用變頻電機的起升電機在再生能量產(chǎn)生時是時變的過程，假設(shè)再生電功率是時間t的函數(shù)，其定義如下：

23、；

24、其中，是起升電機再生的電功率，單位為瓦特；是電機的機械-電轉(zhuǎn)換效率，是由電機機械能轉(zhuǎn)化的功率；

25、基于機械功率與起重機的起升電機的起升速度和負載力相關(guān)，將其表示如下：

26、；

27、其中，，是負載力，是貨物的重量，是加速度；是起升速度，其單位為米/秒；

28、通過監(jiān)測負載的質(zhì)量和下降速度，進行實時計算起升電機再生的電功率；

29、a02、針對儲能單元將用于吸收再生的能量波動，且進行適時釋放能量供應(yīng)至系統(tǒng)的機制，假設(shè)儲能單元的儲能量為，其隨時間變化的關(guān)系表示如下：

30、；

31、其中，為儲能單元中的能量，其單位為焦耳，是再生電的功率，即起升電機再生的電功率，是系統(tǒng)消耗的電功率；

32、根據(jù)儲能單元的儲能量為與儲能單元的儲能上限關(guān)系進行管理其充放電，包括如下：

33、當(dāng)=?儲能單元的儲能上限時，儲能單元停止充電；

34、當(dāng)小于儲能單元的儲能下限時，儲能單元停止放電，進入充電待命狀態(tài)；

35、通過上述充放電切換，使儲能單元平滑起升電機產(chǎn)生的再生能量的波動，且進行能量回收，以適時釋放；

36、a03、在儲能單元之外，通過能量回饋系統(tǒng)將多余的再生能量反饋至電網(wǎng)或轉(zhuǎn)用于其他耗能設(shè)備，在電路中使用功率調(diào)節(jié)器將多余的再生能量輸送至電網(wǎng)，其中，回饋功率表示為如下：

37、；

38、其中，為回饋功率、為再生能量的功率、為儲能單元能夠經(jīng)充電吸收的功率、為電磁起重機當(dāng)前的負載需求，當(dāng)時，則代表起升電機產(chǎn)生的再生能量可以回饋至電網(wǎng)，時，則表示系統(tǒng)需要從電網(wǎng)中獲取能量；

39、a04、通過能量管理器對再生能量和負載進行能量調(diào)度，以動態(tài)調(diào)節(jié)儲能單元的充放電和電網(wǎng)回饋，其包括：

40、當(dāng)大于時，所述能量管理器控制所述儲能單元接入到公共直流母線中進行引入起升電機產(chǎn)生的再生能量進行充電；

41、當(dāng)所述儲能單元滿載時，且時，所述能量管理器控制所述儲能單元保持與公共直流母線的電連接中斷；

42、當(dāng)系統(tǒng)負載需要更多的能量時，所述能量管理器控制所述儲能單元存儲的電能供應(yīng)到公共直流母線，以輔助變頻電機工作。

43、作為一種較優(yōu)的實施選擇，優(yōu)選的，本方案根據(jù)儲能單元的儲能狀態(tài)信息，對儲能單元進行充放電分配調(diào)節(jié)，以均衡儲能單元中各子單元的負載包括：

44、b01、當(dāng)儲能單元為多個超級電容構(gòu)成時，對每個超級電容的儲能量定義如下：

45、將第 i個超級電容的儲能量通過電容的電壓和電容值表示為如下：

46、；

47、其中，是第 i個超級電容在時間t的儲能量，其單位為焦耳；是第 i個超級電容的電容值，其單位為法拉；是第 i個超級電容在時間t的電壓，其單位伏特；

48、假設(shè)儲能單元有n個超級電容可以進行配置，總系統(tǒng)的儲能量表示為如下：

49、；

50、b02、對n個超級電容進行充電優(yōu)先級分配，假設(shè)每個超級電容的充電功率受其當(dāng)前電壓和系統(tǒng)提供的再生能量影響，定義充電功率為：

51、；

52、其中，為充電效率，其介于0-1之間，是系統(tǒng)當(dāng)前的再生能量的輸入功率，是超級電容的最大充電電壓；為每個超級電容的充電功率，為超級電容的當(dāng)前電壓；

53、該公式表明，電壓較低的超級電容會優(yōu)先獲得更多的充電功率，因為超級電容的當(dāng)前電壓距離最大電壓越遠，其分配到的能量越多；

54、為了防止超級電容過充，令每個超級電容的充電狀態(tài)均受到閾值控制，定義每個超級電容的最大可接受電壓，一旦超級電容的當(dāng)前電壓達到了最大可接受電壓，則該超級電容停止充電，其策略描述如下：

55、當(dāng)時，繼續(xù)按優(yōu)先級分配充電功率；

56、當(dāng)時，停止給該超級電容充電，將剩余的再生能量分配給其他超級電容；

57、b03、對n個超級電容進行放電優(yōu)先級分配，假設(shè)系統(tǒng)的輸出功率需求為，每個超級電容的放電功率為，其定義如下：

58、；

59、其中，為放電效率，為每個超級電容的放電功率，為超級電容的當(dāng)前電壓，是系統(tǒng)的輸出功率需求；

60、該公式策略表明，電壓較高的超級電容優(yōu)先放電，以提供更穩(wěn)定的輸出功率；

61、為了防止超級電容過度放電，令每個超級電容的放電狀態(tài)均受到閾值控制，設(shè)定最低放電電壓；

62、當(dāng)時，超級電容繼續(xù)放電；

63、當(dāng)時，超級電容停止放電；

64、b04、通過所述能量管理器對儲能單元的n個超級電容進行動態(tài)調(diào)整充放電順序；

65、在充電優(yōu)先級調(diào)節(jié)方面，實時計算所有超級電容的電壓，提高電壓較低的超級電容的充電優(yōu)先級，同時，確保每個超級電容的電壓不超過最大可接受電壓；

66、在放電優(yōu)先級調(diào)節(jié)方面，當(dāng)系統(tǒng)負載增加時，優(yōu)先支配電壓較高的超級電容進行供應(yīng)能量，同時，確保每個超級電容的電壓不低于最低放電電壓；

67、能量管理器通過動態(tài)規(guī)劃算法對儲能單元的n個超級電容進行能量分配，令系統(tǒng)在每個時間步t下優(yōu)化充放電順序，以最小化能量損失和效率衰減，其目標(biāo)函數(shù)定義如下：

68、；

69、其中，為充電效率；為每個超級電容的充電功率，為放電效率，為每個超級電容的放電功率。

70、作為一種較優(yōu)的實施選擇，優(yōu)選的，本方案對儲能單元進行充放電分配調(diào)節(jié)，以均衡儲能單元中各子單元的負載還包括：對超級電容的充電速率進行分配優(yōu)化和對超級電容的放電進行分配優(yōu)化；

71、其中，對超級電容的充電速率進行分配優(yōu)化包括：

72、引入分配系數(shù)，用于調(diào)節(jié)每個超級電容的充電速率，其對應(yīng)充電功率定義如下：

73、；

74、上式中，?為分配給第 i個超級電容的充電功率，為系統(tǒng)的再生能量總功率，為第 i個超級電容的動態(tài)分配系數(shù)，其滿足；

75、根據(jù)超級電容的電壓狀態(tài)對其對應(yīng)的分配系數(shù)進行動態(tài)調(diào)整，其公式定義如下：

76、；

77、其中，是第 i個超級電容在時間t時的充電分配系數(shù)，是超級電容的最大允許充電電壓，為超級電容在時間t時的當(dāng)前電壓，是n個超級電容的充電需求綜合，其表示系統(tǒng)內(nèi)n個超級電容的充電余量總和；

78、對超級電容的放電進行分配優(yōu)化包括：

79、引入分配系數(shù)?，用于調(diào)節(jié)每個超級電容的放電速率，其對應(yīng)放電功率定義如下：

80、；

81、上式中，為分配給第 i個超級電容的放電功率，為系統(tǒng)當(dāng)前的負載需求，為第 i個超級電容的動態(tài)分配系數(shù)，即放電分配系數(shù)，

82、其滿足；

83、根據(jù)超級電容的電壓狀態(tài)對其對應(yīng)的分配系數(shù)進行動態(tài)調(diào)整，其公式定義如下：

84、；

85、其中，是第 i個超級電容在時間t時的放電分配系數(shù)，為超級電容在時間t時的當(dāng)前電壓，是n個超級電容的電壓總和，其表示系統(tǒng)內(nèi)n個超級電容的電壓總和；

86、能量管理器通過基于未來的系統(tǒng)預(yù)測，動態(tài)調(diào)整控制輸入，使系統(tǒng)性能最優(yōu)，控制目標(biāo)為最小化能量損耗，優(yōu)化充放電過程中的能量利用率，其目標(biāo)函數(shù)定義如下：

87、；

88、其中，為充電效率；為每個超級電容的充電功率，為放電效率，為每個超級電容的放電功率。

89、基于上述，本方案還提供港口起重機變頻電機的再生能量回收利用方法，其應(yīng)用有上述所述的再生能量回收與循環(huán)利用方法或上述所述的港口電磁起重機工作控制方法。

90、采用上述的技術(shù)方案，本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，其具有的有益效果為：本方案巧妙性通過監(jiān)測變頻電機與變頻器之間公共直流母線的電壓變化情況，以此來實時判斷變頻電機處于電動狀態(tài)還是發(fā)電狀態(tài)，同時，本方案還對儲能單元的狀態(tài)進行監(jiān)測，利用儲能單元來進行輔助電機的充放電，以避免其對系統(tǒng)電路造成負面影響，本方案根據(jù)電機狀態(tài)信息，結(jié)合儲能單元的儲能狀態(tài)信息，通過所述能量管理器將儲能單元的工作狀態(tài)切換至第一狀態(tài)、第二狀態(tài)或第三狀態(tài)，第一狀態(tài)時，所述能量管理器控制所述儲能單元接入到公共直流母線中進行引入變頻電機產(chǎn)生的再生能量進行充電；第二狀態(tài)時，所述能量管理器控制所述儲能單元存儲的電能供應(yīng)到公共直流母線，以輔助變頻電機工作；第三狀態(tài)時，所述能量管理器控制所述儲能單元保持與公共直流母線的電連接中斷；本方案可以應(yīng)用在港口電磁起重機的工作控制方法中，以實現(xiàn)起重機的起升電機工作時的能量回收和再利用，同時，因起升電機產(chǎn)生的再生能量不回饋到電網(wǎng)中，所以再生電能在回收時，其對電網(wǎng)不會造成沖擊，不會對電網(wǎng)產(chǎn)生諧波、閃變等污染問題，相反，在港口電磁起重機的起升電機加速啟動的過程將儲存的能量釋放出來，可減少電機對電網(wǎng)的沖擊，減小電網(wǎng)電壓瞬時下降的作用（特別是大功率電機作業(yè)工況），改善了電網(wǎng)使用質(zhì)量。