摘 要

当前环境问题日益凸显，为减少港口污染，我国不断推进港口节能减排建设。港口堆场内的起重设备是港口的主要能耗设备之一。本文主要研究集装箱装卸节能平台，该节能平台以轨道式门式起重机为主要设备，将柴油发电机组作为主动力源，包含超级电容和蓄电池组等储能器件，可实现集装箱进出堆场作业、翻箱倒箱作业以及堆取作业。本文的主要研究内容如下：

（1）介绍节能平台的硬件组成，本文将节能平台划分为起重机基本结构、动力源系统、储能系统、驱动系统以及能量管理系统，并详细描述了各子系统的硬件组成。

（2）研究节能平台的系统功能，本文研究节能平台的能量控制策略和势能回馈利用技术。本文不仅分析超级电容恒电流——恒功率充电控制策略、超级电容放电控制策略和柴油发电机组控制策略，还计算了势能回馈利用技术的回馈效率。

（3）设计节能平台的实验系统，本文设计能量管理系统优化实验，建立了混合动力系统的数学模型。实验基于负载功率需求，利用遗传算法求解最低能耗下的柴油发电机组输出功率和超级电容输出功率。

关键词：门式起重机；混合动力系统；能量控制策略；遗传算法

Abstract

Now environmental problems are becoming increasingly serious. In order to reduce port pollution, China has continuously promoted the construction of energy conservation and emission reduction in ports. Lifting equipment in the port yard is one of the main energy consumption equipment. This paper mainly studies the energy-saving platform for container loading and unloading. The energy-saving platform uses rail gantry crane as the main equipment, commercial power and diesel generator set as the main power sources, and includes energy storage devices such as super capacitor and storage battery set, which can realize container loading and unloading operations, container turning and unloading operations and stacking operations. The main contents of this paper are as follows:

(1) The hardware composition of the energy-saving platform is introduced. In this paper, the energy-saving platform is divided into power source system, energy storage system, drive system, energy management system, online monitoring system, support structure and working mechanism, and the hardware composition of each subsystem is described in detail.

(2) The system function of the energy-saving platform is studied. This paper studies the energy control strategy and potential energy feedback utilization technology of the energy-saving platform. This paper not only analyzes the supercapacitor constant current-constant power charging control strategy, supercapacitor partial voltage discharge control strategy and diesel generator set control strategy, but also calculates the feedback efficiency of potential energy feedback utilization technology.

(3) The experimental system of energy-saving platform is designed. This paper designs the optimization experiment of energy management system and establishes the mathematical model of hybrid power system. Based on the load power demand, genetic algorithm is used to solve the output power of diesel generator and super capacitor at the lowest energy consumption.

Key Words:gantry crane；hybrid system；energy control strategy；genetic algorithm

目 录

第1章 绪论 1

1.1 研究背景及意义 1

1.2 国内外研究现状 1

1.3 主要研究内容 3

第2章 集装箱装卸节能平台的硬件组成 4

2.1 起重机节能平台的基本结构 4

2.1.1 支撑结构 4

2.1.2 起升机构 4

2.1.3 小车行走机构 4

2.1.4 大车行走机构 5

2.1.5 吊具 5

2.1.6 夹轮器、铁鞋、锚定装置 5

2.1.7 钢丝绳卷筒和滑轮 5

2.2 动力源系统 6

2.3 储能系统 7

2.3.1 超级电容 7

2.3.2 蓄电池组 7

2.4 驱动系统 8

2.4.1 变频器 8

2.4.2 逆变器 8

2.4.3 DSP 9

2.5 能量管理系统 9

2.6 本章小结 9

第3章 集装箱装卸节能平台的功能研究 11

3.1 混合动力系统能量控制策略研究 11

3.1.1 超级电容充电控制策略 11

3.1.2 超级电容放电控制策略 12

3.1.3 柴油发电机组控制策略 13

3.2 势能回馈利用技术研究 14

3.2.1 再生能量分析 14

3.2.2 势能回馈利用技术的回馈效率研究 15

3.3 本章小结 15

第4章 基于遗传算法的能量管理优化实验系统设计 16

4.1 实验目的 16

4.2 实验原理 16

4.2.1 混合动力系统分析 16

4.2.2 建立目标函数 17

4.2.3 建立约束条件 17

4.3 实验方法 17

4.4 实验步骤 19

4.4.1 数据采集 19

4.4.2 数据处理 20

4.4.3 优化求解 21

4.5 结果分析 21

4.5 本章小结 21

第5章 总结与展望 23

5.1 全文总结 23

5.2 研究展望 23

参考文献 25

致 谢 26

第1章 绪论

1.1 研究背景及意义

集装箱港口是集装箱运输的中转站，可实现集装箱的水陆联运，在集装箱运输系统中发挥重要作用。随着经济全球化发展，国际贸易业务数量稳步增长，港口集装箱吞吐量也不断攀升，这导致港口的能源需求量不断增长，对环境的压力也日益凸显。为缓解集装箱港口带来的环境压力，我国鼓励港口使用低碳能源，如电能、液化天然气等，并推进对港口设备的节能改造。

在集装箱堆场内，轮胎式门式起重机（RTG）是一种常用的集装箱装卸设备，它以柴油发电机组为动力源，能量利用效率低且能耗大，电能消耗是港口电能消耗的40%~50%。为响应国家建设绿色港口的号召，我国各大港口针对大能耗的RTG进行节能改造。

为满足堆场内装卸设备节能降耗的要求，本文研究了一种集装箱装卸节能平台，该节能平台基于轨道式门式起重机，采用了势能回馈利用技术，可实现集装箱码头堆场内的集装箱进出堆场、翻箱倒箱等操作。因此，码头采用该设备进行集装箱装卸作业，不仅能为码头节约能源成本，还可以促进港口节能化、绿色化发展。节能平台的研究成果不仅丰富了港口的储能技术、优化了码头装卸过程，还使港口能耗显著降低，为港口节约能耗成本、增加经济效益。因此，研究节能平台的硬件组成以及系统功能，能够有效帮助集装箱码头降低能耗、提高作业效率。

1.2 国内外研究现状

集装箱装卸节能平台是基于混合动力轨道式门式起重机的节能平台，在港口的应用十分广泛，它可以在堆场进行集装箱装卸作业，具有效率高、噪音低和安全可靠等优点。在实际作业中，节能平台的一个重要功能是实现节能减排。对此，国内外许多学者都对门式起重机的节能技术作了大量研究：

祁崇波^[1]主要介绍了两种RTG节能技术，分别是混合动力RTG技术以及RTG“油改电”技术，并分析了它们各自的特点和节能效果。