CN103403262A - 在移动采矿设备中通过再生电力管理来提供辅助电力的***和方法 - Google Patents

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Abstract

一种用于操作由电力源（302）供电的采矿挖掘机（100）中所使用的超级电容器***（310）的方法。该方法包括检测是否存在来自该电力源的线路电力（1590，1600）的步骤。接下来，如果不存在该线路电力，则测量该超级电容器***的电压电平。然后，将测得的电压电平与用于该超级电容器***的最小电压电平相比较。如果测得的电压电平大于该最小电压电平，则从该超级电容器***提供辅助电力以操作采矿挖掘机***。可以使用该辅助电力来向电力电子***和部件比如计算机、显示器、控制***、气体绝缘开关装置和照明***供电。

Description

在移动采矿设备中通过再生电力管理来提供辅助电力的***和方法
对相关申请的交叉引用
本申请是提交于2009年5月15日的标题为“LIMITING PEAKELECTRICAL POWER DRAWN BY MINING EXCAVATORS”的美国专利申请No.12/466,722的部分继续申请，其全部内容通过引用合并于本文中。
技术领域
本发明一般地涉及用于诸如采矿挖掘机和越野拖运卡车的移动采矿设备的电力***，更具体地涉及使用存储在能量存储***中的能量作为用于各种移动采矿设备电和电子***的辅助电力源的电力***。
背景技术
诸如采矿挖掘机和越野拖运卡车的移动采矿设备被用在采矿作业期间。诸如电铲和索斗铲（dragline）的采矿挖掘机在采矿作业期间汲取相当大量的电力。由采矿挖掘机汲取的电力向电力分配网络呈现循环负荷。该循环负荷可以包括至少一个电动间隔（其中，电力被从电力源汲取）和一个再生间隔（其中，电力被返回至电力源）。由采矿挖掘机在再生间隔期间生成的电力被捕捉并被用于对车载电能存储***进行充电。
采矿拖运卡车通常配备有包括驱动卡车轮子的电动机的电驱动***。当推进时，拖运卡车从由卡车发动机或高空吊运车线供电的发电机汲取电力。在下坡行驶期间，电动机进行制动并且此制动电力被捕捉并被用于对车载电能存储***进行充电。
用于能量存储的***或装置是移动采矿应用中关注的重要领域。作为示例，采矿挖掘机或拖运卡车常在具有温度会低至零下20℃的极端气候条件的偏远地区作业。这给利用下述电池和相关***的常规能量存储***带来严重的压力，所述电池和相关***被用于采矿挖掘机中的各种电子***和部件比如计算机、显示器、控制***、保护***等的备用电力。
作为示例，通常由铅酸直流电池来提供采矿挖掘机中所使用的气体绝缘开关装置（GIS）的控制电力和备用电力。这种电池对于正常条件是足够的，但是在极度寒冷的天气条件下使用却具有相当大的缺点，这是因为电池中的酸容易冻结。为避免这一点，通常将电池贮藏在加热的隔间中。然而，如果长时间停电，隔间的温度不再受控，会导致冻结，最终导致电池失效。
如上所述，可以将由挖掘机或拖运卡车产生的再生电力作为能量存储在能量存储***中。该存储的能量可以被用于减小挖掘机或拖运卡车中的电动机所需要的峰值电力。参考图11，用于电铲的典型工作循环被示出为电力曲线图1200。可以看出，电铲的电力分布表示约32秒的循环时间。这表明能量存储***应该具有每32秒进行充电和放电的能力。然而，使常规电池受到如此频繁的充电/放电循环会不如所愿地缩短电池寿命。使用电池的另一缺点在于电池需要定期的维护。除了减小峰值电力需求之外，所存储的能量可以被用作各种***关键部件如保护***、控制***等的辅助电力源。
可替换地，已经考虑到在能量存储***中使用电容器而不是电池。然而，采矿挖掘机的电力需求会要求使用非常大的电容器。这是不希望的，因为铲是移动的机器并且大小和重量是铲设计中的重要参数。
发明内容
公开了一种利用由电力源供电的采矿挖掘机中所使用的超级电容器***的能量存储能力的方法。超级电容器***被充电至某最大电压以存储能量。当供电时，该超级电容器被放电至某最小电压。该方法包括检测是否存在来自电力源的线路电力的步骤。接下来，如果不存在线路电力，则测量超级电容器***的电压电平。然后，将测得的电压电平与用于超级电容器***的最小电压电平相比较。如果测得的电压电平大于该最小电压电平，则从超级电容器***提供辅助电力以操作采矿挖掘机***。
通过参考以下详细说明和附图，本发明的这些和其他优点对本领域技术人员来说将会变得明显。
附图说明
图1示出电铲的高级示意图；
图2A示出从电力源汲取电力的循环负荷的高级示意图；
图2B示出无再生的循环负荷的电力需求的曲线图；
图2C示出与图2B中所示的电力需求的曲线图对应的从图2A中所示的电力源汲取的输出电力的曲线图；
图2D示出具有再生的循环负荷的电力需求的曲线图；
图2E示出与图2D中所示的电力需求的曲线图对应的从图2A中所示的电力源汲取的输出电力的曲线图；
图3A示出从电力源和电能存储单元汲取电力的循环负荷的高级示意图；
图3B示出具有再生的循环负荷的电力需求的曲线图；
图3C示出与图3B中所示的电力需求的曲线图对应的从图3A中所示的电力源汲取的输出电力的曲线图；
图3D示出无再生的循环负荷的电力需求的曲线图；
图3E示出与图3D中所示的电力需求的曲线图对应的从图3A中的电力源汲取的输出电力的曲线图；
图4示出电铲控制***的单线图；
图5示出具有集成的超级电容器组的电力***的示意图；
图6示出电铲的电力需求的曲线图；
图7示出当输出电力被限制在上限和下限之间时从电力源汲取的输出电力的曲线图；
图8示出从超级电容器组汲取的输出电力的曲线图；
图9示出超级电容器组中的存储的电能的曲线图；以及
图10示出将输入电力限制在上限和下限之间的步骤的流程图。
图11描绘了用于电铲的工作循环。
图12描绘了用于操作超级电容器组的方法。
图13描绘了根据本发明的电力曲线图。
图14描绘了气体绝缘开关装置（GIS）的能量需求。
图15描绘了拖运卡车电力***的单线图。
具体实施方式
诸如采矿挖掘机和越野拖运卡车的移动采矿设备被用在采矿作业期间。采矿挖掘机包括电铲和索斗铲。图1示出电铲100的示意图以对消耗相当大电力的采矿挖掘机进行说明。主要部件为履带102、平台104、吊臂106、升降机108、把柄110以及铲斗112。电动机使得能够进行各种运动以操作电铲100。运动131推进（前进/倒退方向）指将整个电铲100相对于地面移动。运动133摆动（远离/返回方向）指将平台104相对于履带102旋转。运动135推动（推/拉方向）指将铲斗112相对于吊臂106定位。运动137升高（升/降方向）指将铲斗112相对于地面向上或向下定位。可以使用多个电动机来提供每个运动。
电铲通常进行一系列重复的操作。例如，电铲可以向前推进到堤附近、将铲斗摆动到位置、将铲斗推动到堤中、升高铲斗以挖出原料、拉回铲斗、倒退推进以离开堤、向前推动至倾倒场、将铲斗摆动到位置、降低铲斗并倾倒负荷。然后电铲返回到堤并进行重复操作。则电动机常常沿着一个方向加速、制动并且沿着反方向加速。电动机上的机械负荷是高度可变的。作为一个示例，考虑吊起充满沉重原料的铲斗、倾倒原料并且降低空的铲斗的电动机。
采矿拖运卡车通常配备有电驱动电动机。图15示出包括高空吊运车线电力***的拖运卡车电力***的单线图。拖运卡车通常包括两个驱动轮。每个轮由三相交变电流（AC）轮电动机（M）进行驱动。轮电动机被标记为轮电动机1500和轮电动机1510。由柴油发动机1520驱动的三相AC发电机（G）206提供电力。注意，虽然知道采矿工作中通常使用柴油发动机，但是也可以使用其他类型的机械发动机。耦接部1530将柴油发动机1520连接至发电机1540。柴油发动机1520和发电机1540被安装在拖运卡车上。发电机1540的AC输出被馈送到整流器1550中。整流器1550的直流（DC）输出被馈送到一组逆变器1560和1570中。逆变器1560向轮电动机1500提供三相AC电力。类似地，逆变器1570向轮电动机1510提供三相AC电力。
可替换地，逆变器1560和逆变器1570的输入还可以被连接至由变电站1580经由滑接线1590和滑接线1600提供的DC电力。分别经由受电弓臂1610和受电弓臂1620来实现拖运卡车到滑接线1590和滑接线1600的电连接。掷开关1630将逆变器1560的输入和逆变器1570的输入与滑接线1590和滑接线1600进行连接/断开。还有辅助断路器1640。当将上坡阶段的拖运卡车连接至滑接线1590和滑接线1600时，变电站1580被置于大的电力需求，导致DC链路电压下降并且流经滑接线1590和滑接线1600的电流增大。
将在下述条件下描述本发明：其中，由柴油发动机1520而不是变电站1580来提供轮电动机1500和轮电动机1510的整个电力需求。
拖运卡车的制动是传输作业的关键部分。沉重的负荷、陡峭的坡度以及快速的移动导致需要被管理的大量的机械能。在正常操作下，电动机将电能转换为机械能。还可以将电动机反过来作为发电机来操作以将机械能转换为电能，该电能被馈送到逆变器中。在典型动力制动***中，连接到逆变器的制动斩波器将电力引导到持续消耗能量直到卡车停止的电力电阻器网。制动平缓，类似于汽车中的制动操作，但是没有机械制动磨损。参考图15，例如，斩波器1650和电力电阻器网1660给轮电动机1500提供制动作用。类似地，斩波器1670和电力电阻器网1680给轮电动机1510提供制动作用。因此，在典型动力制动***中，再生的电能（也称为滞后能量）被转换为废热。然而，在实施方式中，如以下详细描述，再生成的电能被捕捉并回收。
虽然可以理解的是本发明也可应用于采矿拖运卡车，但是将针对电铲中的操作来说明将所存储的能量用作辅助电力源的过程。
从电力的角度来看，电铲向电力源呈现循环负荷。作为工作时间的函数，由电铲汲取的电力循环地变化。由于这些机器汲取的平均电力可能是它们的峰值电力需求的约55%，所以电力的变化可能相当大。
在正常操作下，电动机将电能转换为机械能。还可以将电动机反过来作为发电机来操作以将机械能转换为电能。在正常操作下，电动机从电力源汲取（消耗）电力。当运动下的电动机被停止时，剩余的机械能可以被转换为电能。本文中，其间电负荷正在汲取电能的时间间隔被称为电动间隔；而其间电负荷正在生成电能的时间间隔在本文中被称为再生间隔。
在图2A中，电力源202向总用户负荷204馈电。在此示例中，总用户负荷204包括应用负荷206。控制器208对在电力源202和应用负荷206之间传递的电力进行控制。电力P1221表示来自电力源202的输出电力。电力P2223表示由应用负荷206（其在此示例中为循环负荷）汲取的输入电力。操作负荷所需要的输入电力也被称为负荷的电力需求。
图2B示出应用负荷206的作为时间t（水平轴）的函数的电力需求P2223（竖直轴）的曲线图230。在此示例中，P2的范围从零到正值。当电力需求为正时，应用负荷206正在汲取电力。曲线图230是用于说明的一般曲线图。实际的电力需求依赖于具体的实施方式和操作条件。为简化起见，曲线图230的多个部分被示为直线段。一般来说，形状是任意的（例如，曲线）。
在图2B中，循环231至循环247为循环的示例。应该注意的是，循环不一定是严格周期的。电力相对于时间、幅度、和每个循环的持续时间的函数依赖性可以发生变化。除了上/下变化之外，循环可以包括其他几何特征，例如循环237中的平坦区域（恒定电力）和循环241中的尖部。
图2C示出来自电力源202的输出电力P1221（竖直轴）的对应曲线图240。当输出电力为正时，从电力源202中汲取电力。在所示示例中，输出电力P1221（图2C中的曲线图240）与电力需求P2223（图2B中的曲线图230）相等。
图2D示出应用负荷206的作为时间t（水平轴）的函数的电力需求P2223（竖直轴）的不同示例：曲线图250。应该注意的是，电力的范围从正值到负值。当电力需求为正（电动区域）时，应用负荷206正在汲取电力。当电力需求为负（再生区域）时，应用负荷206正在生成电力。如曲线图250中所示，应用负荷206在时间间隔251（t1≤t≤t2）、时间间隔253（t3≤t≤t4）以及时间间隔255（t5≤t≤t6）期间生成电力。
图2E示出来自电力源202的输出电力P1221（竖直轴）的对应曲线图260。当输出电力为正时，从电力源202汲取电力。当输出电力为负时，电力被回馈到电力源202中。在所示示例中，在电动区域中，输出电力P1221（图2E中的曲线图260）与电力需求P2223（图2D中的曲线图250）相等。在再生区域中（时间间隔251、时间间隔253和时间间隔255），输出电力P1221为零。在此示例中，再生区域中所生成的电力被馈送到电阻器（未示出）中并被转换为废热。再生区域中所生成的电力还可以被回馈到电力源202。于是时间间隔251、时间间隔253以及时间间隔255期间的输出电力P1221将为负。
图3A示出根据本发明的实施方式的再捕捉在再生区域中生成的电力的电力***的示意图。电力源302向总用户负荷304馈电。在此示例中，总用户负荷304包括应用负荷306和电能存储单元310。控制器308对在电力源302和应用负荷306之间、电力源302和电能存储单元310之间以及应用负荷306和电能存储单元310之间传递的电力进行控制。电力P1331表示来自电力源302的输出电力。电力P2333表示由应用负荷306（其在此示例中为循环负荷）汲取的输入电力。电力P3335表示由应用负荷306在再生区域中生成的电力。电力P4337表示由电能存储单元310从应用负荷306接收的电力。电力P5339表示来自电能存储单元310的输出电力。
电能存储单元310的示例为超级电容器，超级电容器的特征在于高功率密度。对于增大的电能存储，可以将多个超级电容器进行串联或并联以形成超级电容器组。流入超级电容器的电流对超级电容器进行充电，并且电能经由电极-电解质接口处的电荷分离来存储。然后，所存储的电能可以在后来被用于输出电流。在图3A中，由应用负荷306所生成的电力P3335可以被作为电力P4337来馈送以对电能存储单元310进行充电。另外，电力源302输出的电力P1331可以被作为电力P4339来馈送以对电能存储单元310进行充电。
图3B示出应用负荷306的作为时间t（水平轴）的函数的电力需求P2333（竖直轴）的曲线图390。应该注意的是，在此示例中，电力的范围从正值到负值。当电力需求为正（电动区域）时，应用负荷306正在汲取电力。当电力需求为负（再生区域）时，应用负荷306正在生成电力。如曲线图390中所示，应用负荷306在时间间隔367（t1≤t≤t2）、时间间隔369（t3≤t≤t4）以及时间间隔371（t5≤t≤t6）期间生成电力。由于能量是电力在时间上的积分，所以面积366、面积368和面积370分别表示应用负荷在时间间隔367、时间间隔369和时间间隔371期间生成的电能。该电能被存储在电能存储单元310中。
在本发明的实施方式中，从电能存储单元310汲取的电力被用于减小从电力源302汲取的峰值电力。图3C示出来自电力源302的输出电力P1331（竖直轴）的曲线图392。在此示例中，P1331的下限为零。如以下示例所讨论，依赖于电能存储单元310的循环和存储容量，该下限还可以大于零或小于零。当输出电力为正时，从电力源302汲取电力。当输出电力为负时，电力被回馈到电力源302中。在所示示例中，在电动区域中，上限PUL394被置于输出电力P1331上。对于P2≤PUL（图3B中的曲线图390）的值，P2只由P1提供。对于P2>PUL的值，P1提供PUL的值。所需要的额外电力由从电能存储单元310汲取的P5339提供。
参考图3B，在时间间隔361（T1≤t≤T2）、时间间隔363（T3≤t≤T4）和时间间隔365（T5≤t≤T6）期间，P2大于PUL。应该注意的是，差P2-PUL由脉冲表示，分别被标记为脉冲350、脉冲352和脉冲354。脉冲幅度分别被标记为幅度380、幅度382和幅度384。每个脉冲内所汲取的能量分别被标记为脉冲能量360、脉冲能量362和脉冲能量364。如上所述，由电力相对于时间曲线图的面积来表示能量。在所示示例中，脉冲具有三角形的形状。通常，依赖于应用负荷和操作条件以及其他因素，脉冲形状可以变化。
在本发明的实施方式中，电能存储单元310被配置成使得它可以提供应用负荷306的工作期间所需要的全部脉冲能量。在配置电能存储单元310时要考虑的参数包括脉冲幅度、脉冲宽度、脉冲形状以及脉冲之间的时间间隔。如果P3不足以维持电能存储单元310中充足的电荷，则还可以在非峰值阶段期间使用P1来对电能存储单元310进行充电。
在本发明的实施方式中，如果应用负荷306只在电动区域中工作（无再生），则电能存储单元310可以完全由来自电力源302的P1331充电。充电可以发生在非峰值需求期间以对峰值需求期间来自电力源302的电力P1331进行限制。图3D示出应用负荷306的作为时间t（水平轴）的函数的电力需求P2333（竖直轴）的曲线图3100。在此示例中，P2的范围从零值到正值。当电力需求为正时，应用负荷306正在汲取电力。
图3E示出来自电力源302的输出电力P1331（竖直轴）的曲线图3200。当输出电力为正时，从电力源302中汲取电力。在所示示例中，上限PUL3144被置于输出电力P1331上。对于P2≤PUL（图3D中的曲线图3100）的值，P2只由P1提供。对于P2>PUL的值，P1提供PUL的值。所需的额外电力由从电能存储单元310汲取的P5339来提供。在图3D中，应该注意的是，对于脉冲3102至脉冲3110，P2>PUL。对应的脉冲能量分别为由电能存储单元310提供的脉冲能量3122至脉冲能量3130。应该注意的是，正的下限PLL3146（图3E）可以被置于输出电力P1331上。下面讨论维持下限的益处。
采矿挖掘机中所使用的电驱动电动机通常在三相交变电流（AC）上工作。通常由下述电力分配网络来为采矿挖掘机供电，所述电力分配网络通过高压套皮线路电缆将高压AC电力馈送给驱动电力变压器的初级侧；可以使用一个或更多个驱动电力变压器。驱动电力变压器具有通过线路电抗器来给再生升压整流器***提供电力的多个次级绕组。这种整流器***可以包括有源前端（AFEs）。该有源前端是将输入AC转变为直流（DC）并且将能量存储在低电感DC链路电容器中的脉冲宽度调制的绝缘栅双极晶体管（IGBT）整流器。也可以使用硅控整流器（SCR）桥来实现再生整流器***。驱动电力变压器的数目和有源前端的数目依赖于驱动电动机的总电力需求。电力电子逆变器将DC链路处可用的DC电压转换为馈送电动机的AC电压。
可以由有源前端将由电动机再生的电能回馈至公用电网。然而，在线路侧故障的条件下，有源前端不能将全部再生的能量送回至公用电网，并且机器需要关闭。不能被回馈给公用电网的再生能量可能导致DC链路电压的增大。由于高的DC链路电压可能损坏部件，还可能造成安全隐患，因此给***添加保护电路例如DC斩波器和短路器以对再生期间的过量DC链路电压进行抑制。在此示例中，电能被转换为废热。如下面所述，在本发明的实施方式中，再生的电能被存储在超级电容器组中。在另一实施方式中，存储在超级电容器组中的再生的电能被用于为诸如计算机、显示器、控制***、照明***等的各种***和装置提供辅助电力。
图4示出电铲控制***400的单线图。块401表示输入电力设施。块403表示电力转换器。块405表示电驱动电动机。
参考块405，电铲100配备有六个电驱动电动机，标记为电动机4100至电动机4110。每个电动机在三相交变电流（AC）上运行。
在块401中所示的示例中，由公用电力网经由提供3.3或6.6kV电压的三相AC电力的变电站404直接馈送电力。变电站404经由开关406连接至电流换能器408和开关410。经由保险丝412和开关414向驱动电力变压器420的初级侧提供电力。类似地，经由保险丝422和开关424向驱动电力变压器426的初级侧提供电力。电势换能器416生成同步电压回馈信号418。
参考块403，来自驱动电力变压器420的次级侧的一个输出经由电流换能器430和有源前端（AFE）扼流圈/电抗器438连接至AFE AC到DC转换器446。来自驱动电力变压器420的次级侧的第二输出经由电流换能器432和AFE扼流圈/电抗器440连接至AFE AC到DC转换器448。类似地，来自驱动电力变压器426的次级侧的一个输出经由电流换能器434和AFE扼流圈/电抗器442连接至AFE AC到DC变换器450。来自驱动电力变压器426的次级侧的第二输出经由电流换能器436和AFE扼流圈/电抗器444连接至AFE AC到DC转换器452。由电势换能器454和电势换能器456对输出DC电压进行监视。
来自AFE AC至DC转换器446到AFE AC至DC转换器452的输出的DC电力被馈送给AFE DC到AC逆变器458至AFE DC到AC逆变器464的输入。块480表示接地故障检测电路。块482表示通过电阻器484消耗过剩电能的过电压斩波电路。AFE DC到AC逆变器458至AFEDC到AC逆变器464的输出通过电流换能器466至电流换能器472分别连接至电动机4100至电动机4110。不同电动机之间的开关驱动电力可以经由转换开关490/493来进行。
图5示出集成到现有电力转换器***中的超级电容器电能存储单元的示意图。现有电力转换器***由驱动电力变压器502、AFE扼流圈/电抗器504、AFE扼流圈/电抗器506、AFE508、AFE510、DC链路512以及逆变器514来表示。电动机560代表循环负荷。如前面在图4中所示，逆变器514可以向多于一个的电动机馈电。超级电容器电能存储单元540包括DC到DC转换器542/544、扼流圈/电抗器546以及超级电容器组548。超级电容器电能存储单元540可以经由断路开关550从电力转换器***断开。超级电容器电能存储单元540由超级电容器能量管理控制器570管理。
应该注意的是，具有多个电动机的***的采矿挖掘机可以被视为在电动间隔和再生间隔期间工作的单个统一的循环负荷。图1中的电铲100对通过工作循环管理的公用电网表现为循环负荷。图6示出电铲100在30秒工作循环内的电力循环的示例。水平轴602以秒（sec）为单位表示时间。竖直轴604以千瓦（kW）为单位表示电力。曲线图606表示电铲100的电力需求。
在此示例中，应该注意在竖直轴604上，电力范围从正值到负值。对于由电动区域608指示的正值，电铲100正在汲取电力。对于由再生区域610指示的负值，电铲100正在生成电力。在图6中所示的工作循环中，存在其间电铲100在再生区域610中工作的三个时间间隔：t1641至t2643、t3645至t4647以及t5649至t6651。
电铲100所呈现的最大电力需求为Pmax612。在标准的电力转换器***中，由驱动电力变压器502（图5）提供全部电力。因此，在电动区域608中，曲线图606也表示由驱动电力变压器502提供的电力。在本发明的实施方式中，由驱动电力变压器502提供的最大电力被设定于用户定义的值PUL616（UL=上限）处。在本发明的实施方式中，在峰值需求超过PUL616的时间间隔期间，超级电容器组546提供了超过PUL616的电力。本领域技术人员可以根据具体设备和应用来设定PUL616的值。
图7示出驱动电力变压器502的修改后的电力分布。水平轴602表示前面在图6中所示的30秒工作循环。竖直轴704以千瓦（kW）为单位表示电力。曲线图706表示由驱动电力变压器502递送的电力。应该注意的是，电力落在PUL616和PLL718（LL=下限）之间。可以将下限PLL718设定为零、负值或正值。如果驱动电力变压器502在再生间隔期间递送零电力，则下限被设定为零，并且全部再生电能被存储在超级电容器组546中。如果超级电容器组546的容量不足以存储全部再生电能，则将下限设定为负值：一部分再生电能被存储在超级电容器组546中，并且一部分再生电能被返回至公用电网。如果再生电能不足以对超级电容器组546完全充电，则将下限设定为正值（如图7中的示例中所示）：来自驱动电力变压器502的电力还被用于在非峰值间隔期间对超级电容器组546进行充电。应该注意的是，线路电力波动随着PLL718的增大而减小。因此，将PLL718设定的尽可能高且与电能存储单元310的工作循环和电压一致是有利的。本领域技术人员可以根据具体设备和应用来设定PLL718的值。
图8示出对应的超级电容器电力分布。水平轴602表示在前面图6中所示的30秒工作循环。竖直轴804以千瓦（kW）为单位表示电力。曲线图806表示超级电容器组546（图5）的电力分布。应该注意的是在竖直轴804上，电力范围从正值到负值。对于由再生区域808指示的正值，超级电容器组546正在汲取电力（对超级电容器组进行充电）。对于由电动区域810指示的负值，超级电容器组546正在生成电力（对超级电容器组进行放电）。
图9示出超级电容器***中存储的能量。水平轴602表示前面图6中所示的30秒工作循环。竖直轴904以千焦（kJ）为单位表示能量。通过将电力作为时间的函数（图8中曲线图806所示）进行积分计算出曲线图906。此数据用于对超级电容器组546进行合适的大小调整。当超级电容器组546已存储了所需的能量时，额外能量如果可获得则可以被送回至公用电网。作为示例，超级电容器***的工作电压约为1400伏特至1800伏特，并且超级电容器的总电容约为4.5法拉至9法拉。本领域技术人员可以根据具体设备和应用来设定超级电容器***的设计需求。
图10是概述了用于对由循环负荷从电力源汲取的电力进行限制的步骤的流程图。在步骤1002中，设定电力上限PUL和电力下限PLL。然后过程行进到步骤1004，在该步骤中测量由循环负荷汲取的输入电力。然后过程行进到步骤1006，在该步骤中将所测得的由循环负荷汲取的输入电力与电力源的电力上限和电力下限相比较。如果所测得的由循环负荷汲取的输入电力落在电力上限和电力下限的范围内，则过程行进到步骤1008，在该步骤中继续正常工作。如果所测得的由循环负荷汲取的输入电力不落在电力上限和电力下限的范围内，则过程行进到步骤1010，在该步骤中将所测得的由循环负荷汲取的输入电力与电力上限PUL和电力下限PLL相比较。如果所测得的由循环负荷汲取的输入电力大于电力上限PUL，则过程行进到步骤1014，在该步骤中超级电容器组向DC链路供电。如果所测得的由循环负荷汲取的输入电力小于电力下限PLL，则过程行进到步骤1012，在该步骤中超级电容器组从DC链路汲取电力。如上所述，可以从电力源向超级电容器组充电。如果循环负荷在电动区域和再生区域中都工作，则也可以从由循环负荷生成的电力对超级电容器组充电。
当完成了步骤1012或步骤1014时，过程行进到步骤1016，在该步骤中对超级电容器组上的电压进行监视。然后过程返回到步骤1002，在该步骤中，如果需要则对电力上限和电力下限进行重置。
除了具有非常高的功率密度之外，与常规电池相比，超级电容器能够经受相对大数目的充电-放电循环。超级电容器还被评估用于温度低至零下40℃的工作，从而更适合用于在恶劣天气条件中进行的采矿工作中。根据本发明，超级电容器组548用于给诸如计算机、显示器、控制***、照明***等的各种***和装置提供辅助电力。超级电容器组548被配置成提供足以使得采矿挖掘机能够工作的标称工作电压。在使用过程中，对超级电容器组548进行放电并且电压电平减小到电压电平不足以维持采矿挖掘机的工作的电压下限。在一个实施方式中，超级电容器组548被配置成提供约1800V的标称电压电平。另外，示例性的电压下限可以约为1500V。已经确定的是，将电压电平从1800V减小到1500V需花费采矿挖掘机的约8小时的正常工作。因此，在一个实施方式中，超级电容器组548保持足够的能量以为各种采矿挖掘机电子***和部件例如计算机、显示器、控制***、GIS、照明***等提供8小时的备用电力。这免除了需要常规电池作为备用电力的源，从而提高了可靠性。
参考图12，示出了一种用于操作超级电容器组548的方法。在步骤1300，关于图4而描述的电势换能器416测量线路电力。如果在步骤1320存在线路电力，则在步骤1340继续采矿挖掘机的正常工作。如果在步骤1320不存在线路电力，则在步骤1360电势换能器454（参见图4）对超级电容器组548的电压电平进行检查。如果在步骤1380电压电平高于电压下限，则在步骤1400向超级电容器能量管理控制器570供电。如果在步骤1380电压电平低于电压下限，则在步骤1420关闭采矿挖掘机控制***。在步骤1400和步骤1420两者之后，在步骤1440由电势换能器454对超级电容器组548的电压电平进行监视。再次在步骤1300对线路电压进行检查。
为了对***的峰值电力进行优化，需要考虑电动模式以及再生模式下AFE508和AFE510提供的最大容许电力。针对图11，要由AFE508和AFE510提供的最大电动电力被选为PMAX=950MW，而可以由AFE回馈给电网的最大再生电力被选为PMIN=-200MW。例如，额外的再生电力被用于对额定电压为1800V的超级电容器组458进行充电。DC到DC转换器542/544用于在DC链路512和超级电容器组458之间交换电力。应用上述条件，图13中呈现了用于图11的分布的电力-时间图。具体地，图13描绘了电力需求曲线图1220、与电力需求曲线图1220部分重合的线路电力曲线图1240、超级电容器电力曲线图1260以及超级电容器电压曲线图1280。根据图13，通过计算电力的积分将可以被超级电容器组458捕捉的总再生能量确定为约2MJ。
参考图14，表1列出GIS中需要备用的重要项目。确定了GIS备用***的能量需求约为2MJ。因此，超级电容器组458的总能量需求约为4MJ。根据模拟，发现超级电容器组458的峰值电流需求为300安培。根据这些数据，可以估计超级电容器组458的成本和大小。
前述详细说明应该从各个方面被理解为是说明性和示例性的，而不是限制性的，并且本文中所公开的本发明的范围不是根据该详细说明来确定，而是根据如根据专利法准许的广度所解释的权利要求来确定。应该理解的是，本文中所示的和所描述的实施方式只是本发明的原理的说明性，并且本领域技术人员可以在不违背本发明的范围和精神的情况下进行各种修改。在不违背本发明的范围和精神的情况下，本领域技术人员可以实现各种其他特征组合。

Claims (20)

1.一种用于操作由电力源供电的采矿挖掘机中所使用的超级电容器***的方法，包括以下步骤：
检测是否存在来自所述电力源的线路电力；
如果不存在所述线路电力，则测量所述超级电容器***的电压电平；
将测得的电压电平与用于所述超级电容器***的最小电压电平相比较；以及
如果所述测得的电压电平大于所述最小电压电平，则从所述超级电容器***提供辅助电力以操作采矿挖掘机***。
2.根据权利要求1所述的方法，还包括以下步骤：如果所述测得的电压电平小于所述最小电压电平，则停止所述采矿挖掘机的操作。
3.根据权利要求1所述的方法，其中，所述超级电容器***被配置成提供约8小时的正常工作。
4.根据权利要求1所述的方法，其中，所述最小电压电平为1500V。
5.根据权利要求1所述的方法，其中，用于所述超级电容器***的标称电压约为1800V。
6.根据权利要求1所述的方法，还包括以下步骤：用从所述电力源汲取的电力对所述超级电容器***进行充电。
7.根据权利要求1所述的方法，其中，所述电力源包括与公用电力网的直接连接。
8.根据权利要求1所述的方法，其中，所述电力源输出具有至少一千伏的最小电压的三相交变电流。
9.根据权利要求8所述的方法，其中，所述最小电压为至少三千伏。
10.根据权利要求1所述的方法，其中，所述至少一个采矿挖掘机包括以下中的至少一个：
电铲；以及
索斗铲。
11.一种用于操作由电力源供电的采矿挖掘机中所使用的超级电容器***的方法，包括以下步骤：
操作所述采矿挖掘机以提供循环负荷；
用由所述循环负荷在再生间隔期间生成的电力对所述超级电容器***进行充电；
检测来自所述电力源的线路电力是否被中断；
如果所述线路电力被中断，则测量所述超级电容器***的电压电平；
将测得的电压电平与用于所述超级电容器***的最小电压电平相比较；以及
如果所述测得的电压电平大于所述最小电压电平，则从所述超级电容器***提供辅助电力以操作采矿挖掘机***。
12.根据权利要求11所述的方法，还包括以下步骤：用从所述电力源汲取的电力对所述超级电容器***进行充电。
13.根据权利要求11所述的方法，其中，所述电力源包括与公用电力网的直接连接。
14.根据权利要求11所述的方法，其中，所述电力源输出具有至少一千伏的最小电压的三相交变电流。
15.根据权利要求14所述的方法，其中，所述最小电压为至少三千伏。
16.根据权利要求11所述的方法，其中，所述至少一个采矿挖掘机包括以下中的至少一个：
电铲；以及
索斗铲。
17.根据权利要求11所述的方法，还包括以下步骤：如果所述测得的电压电平小于所述最小电压电平，则停止所述采矿挖掘机的操作。
18.根据权利要求11所述的方法，其中，所述超级电容器***被配置成提供约8小时的正常工作。
19.根据权利要求11所述的方法，其中，所述最小电压电平为1500V。
20.根据权利要求11所述的方法，其中，用于所述超级电容器***的标称电压约为1800V。
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