高架“油改電”輪胎吊有源前端能量回饋系統(tǒng)應(yīng)用及推廣

朱琳杰

利用變頻控制技術(shù)的集裝箱輪胎式龍門吊（以下簡稱“輪胎吊”）早期由柴油發(fā)電機(jī)組供電，排量大且能耗高。寧波港吉（意寧）碼頭經(jīng)營有限公司響應(yīng)國家節(jié)能減排的號召，對傳統(tǒng)用油的輪胎吊實(shí)施高架“油改電”改造，以清潔、高效的市電代替柴油發(fā)電機(jī)組供電，從而大幅降低其能耗。輪胎吊“油改電”并不是碼頭節(jié)能減排的終點(diǎn)，研究發(fā)現(xiàn)，“油改電”輪胎吊還有進(jìn)一步節(jié)能降耗的潛力可挖。

傳統(tǒng)變頻控制系統(tǒng)下的輪胎吊在下放集裝箱以及大車、小車制動過程中，電動機(jī)處于再生發(fā)電狀態(tài)，勢能轉(zhuǎn)換的電能無法回饋到變頻器供電電網(wǎng)，只能通過變頻器直流側(cè)制動單元中的制動電阻變成熱能消耗掉，以免因直流側(cè)母線過壓而損壞電氣元件，從而造成巨大的電能浪費(fèi)。采用有源前端（active front end，AFE）可控整流技術(shù)的能量回饋裝置可以使這部分再生能量返回至電網(wǎng)，進(jìn)一步降低能耗。寧波港吉（意寧）碼頭經(jīng)營有限公司經(jīng)過技術(shù)改造將AFE能量回饋系統(tǒng)安裝到高架“油改電”輪胎吊上，節(jié)能降耗的效果顯著，具有廣闊的推廣前景。

1 AFE能量回饋系統(tǒng)原理

為使變頻器能在發(fā)電狀態(tài)下將制動的能量回饋至電網(wǎng)，降低能耗，實(shí)現(xiàn)四象限運(yùn)行，通常有兩種做法。第一種做法是采用普通的能量回饋方式，即給變頻器配1個或多個能量回饋單元，能量回饋單元并聯(lián)，可將能量回饋至電網(wǎng)，其工作原理見圖1。能量回饋單元沒有數(shù)字信號處理器，所有控制功能由硬件完成，逆變功率部分采用絕緣柵雙極型晶體管，實(shí)際應(yīng)用時(shí)的電氣連接見圖2。

能量回饋單元將電機(jī)制動時(shí)產(chǎn)生并輸入到變頻器母線的能量逆變生成與電網(wǎng)同步、同相位的交流正弦波，將電能回饋至電網(wǎng)，具體特點(diǎn)如下：（1）能量只能從變頻器直流母線流向電網(wǎng)，單向不可逆；（2）所有控制功能由硬件完成，無數(shù)字信號處理器，功能單一，除回饋能量外無其他功能；（3）與變頻器主回路分開，除將變頻器母線多余能量回饋至電網(wǎng)外，對變頻器運(yùn)行無其他優(yōu)化功能；（4）能量回饋單元可并聯(lián)，各自獨(dú)立工作（見圖3）。

第二種做法是給變頻器配置AFE。主電路采用絕緣柵雙極型晶體管全控式開關(guān)元件，AFE處理器為高速數(shù)字信號處理器芯片，系統(tǒng)的“交-直”環(huán)節(jié)與“直-交”環(huán)節(jié)的結(jié)構(gòu)完全相同；采用正弦脈寬調(diào)制模式，可控制交流電流的大小和相位，并通過前端的濾波、儲能環(huán)節(jié)使交流輸入電流接近正弦波；當(dāng)電機(jī)側(cè)的制動能量通過逆變器返回而使直流母線電壓升高時(shí)，可以使交流輸入電流的相位與電源電壓相位相反，實(shí)現(xiàn)再生發(fā)電運(yùn)行，并將再生功率回饋到交流電網(wǎng)，使系統(tǒng)處于有源逆變工作狀態(tài)。AFE既可作為整流器工作，也可作為逆變器工作，實(shí)現(xiàn)電源側(cè)的四象限運(yùn)行，從而實(shí)現(xiàn)可控整流及能量回饋。變頻器AFE能量回饋系統(tǒng)電氣原理如圖4所示。

變頻器AFE能量回饋系統(tǒng)工作原理如下。

（1）不控整流 三相電源R，S，T經(jīng)無源濾波電路、PFC電感器、上電緩沖電路，經(jīng)反向并聯(lián)二極管（絕緣柵雙極型晶體管）D1～D6整流后對母線電容器進(jìn)行充電，此時(shí)絕緣柵雙極型晶體管不工作，只充當(dāng)普通整流橋的角色。

（2）可控整流 三相電源R，S，T經(jīng)無源濾波電路、PFC電感器、上電緩沖電路，通過控制絕緣柵雙極型晶體管 Q1～Q6的通斷，配合二極管D1～D6，可實(shí)現(xiàn)對PFC電感器的充放能及母線電容的充放電。

（3）逆變 通過控制絕緣柵雙極型晶體管 Q1～Q6按一定規(guī)律通斷，可將直流母線電壓逆變成相位和幅值與電源電壓相同的交流電并回饋至電網(wǎng)，即常說的能量回饋。逆變的原理與驅(qū)動電機(jī)類似，只是絕緣柵雙極型晶體管T的開關(guān)方式略有不同。逆變時(shí)，因最終能量送回電網(wǎng)，PFC電感器中的能量同樣也送回電網(wǎng)。PFC電感器起濾波的作用，可有效降低諧波。

對比兩種能量回饋方式，AFE能量回饋系統(tǒng)具有以下優(yōu)點(diǎn)。

（1）AFE整流和逆變器前端的電壓與電流波形均已濾波成正弦波形，電壓與電流正弦波形間的相位差角可以在一定范圍內(nèi)按需要設(shè)定；因此，功率因數(shù)能以1為中點(diǎn)而正負(fù)可調(diào)，甚至可以對供電系統(tǒng)進(jìn)行有源的功率因數(shù)補(bǔ)償。

（2）因可控整流，回路中又有無源濾波電路和PFC電感器，諧波可降至很低，通常小于5%。

（3）直流母線電壓可在一定范圍內(nèi)設(shè)定，設(shè)定值即為穩(wěn)壓值；因此，一定范圍內(nèi)的電網(wǎng)電壓波動，或者瞬間電壓跌落或過電壓，均不會影響母線電壓，特別適合在供電電壓長期偏低的情況下使用，能提高變頻器的控制性能及可靠性。

（4）采用高速數(shù)字信號處理芯片，數(shù)字控制的能量回饋可最大限度地將多余能量回饋至電網(wǎng)，節(jié)能降耗效果十分明顯。

（5）可自動檢測進(jìn)線電流、電源電壓和電源頻率等。

（6）過熱、過流、過壓、欠壓、輸入缺相等各種保護(hù)功能齊全。

2 高架“油改電”輪胎吊能量回饋系統(tǒng)改造

寧波港吉（意寧）碼頭經(jīng)營有限公司采用上海海得控制系統(tǒng)股份有限公司（以下簡稱“海得”）的HDM系列AFE能量回饋系統(tǒng)，對50臺高架“油改電”輪胎吊實(shí)施技術(shù)改造，并完成相關(guān)驗(yàn)證和測試。

2.1 海得AFE能量回饋系統(tǒng)介紹

海得HDM系列AFE能量回饋系統(tǒng)采用矢量控制算法，對有功和無功進(jìn)行解耦，對模塊電流和直流母線電壓進(jìn)行雙閉環(huán)控制，實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)與直流母線間能量的雙向流動，與通用變頻器配合可形成四象限變頻控制模式，既可以向變頻器提供高質(zhì)量的直流電源，又可將制動能量回饋至電網(wǎng)。能量回饋裝置的結(jié)構(gòu)組成與變頻器的輸出逆變部分一樣，在絕緣柵雙極型晶體管組成三相橋式結(jié)構(gòu)上，采用空間矢量脈寬調(diào)制技術(shù)，控制絕緣柵雙極型晶體管開關(guān)狀態(tài)的高速切換，并配備高性能濾波器，可使設(shè)備的功率因數(shù)達(dá)0.99以上，大大降低交流輸入端的電流諧波含量，提高電網(wǎng)的電能質(zhì)量。

另外，海得HDM系列AFE能量回饋系統(tǒng)適用的變頻器品牌廣泛，能與ABB、安川、西門子、富士、施耐德等變頻器配用，且在具體使用時(shí)既可以與逆變器配用，也可以與變頻器配用，并且無須改動。endprint

2.2 高架“油改電”輪胎吊能量回饋系統(tǒng)改造方案

2.2.1 高架“油改電”輪胎吊配電網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)

寧波港吉（意寧）碼頭經(jīng)營有限公司“油改電”輪胎吊采用高架滑觸線供電方式，其配電網(wǎng)絡(luò)如圖5所示。實(shí)施AFE能量回饋系統(tǒng)改造后，單臺輪胎吊的用電設(shè)備主要包括可控整流及能量回饋裝置（與變頻器連接）、空調(diào)和照明等其他用電設(shè)備。當(dāng)輪胎吊提升重物時(shí)，可控整流及能量回饋裝置從電網(wǎng)吸收電能；當(dāng)輪胎吊下放重物時(shí)，能量回饋裝置向本臺輪胎吊上的空調(diào)、照明和控制回路等用電設(shè)備提供電能，同時(shí)向電網(wǎng)回饋電能。

高架“油改電”輪胎吊配電網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)上單條滑觸線所運(yùn)行的輪胎吊在某一時(shí)刻同時(shí)提升或下放集裝箱的概率很低，也就是說，通常情況下，在某一時(shí)刻，有數(shù)臺輪胎吊在提升集裝箱，有數(shù)臺輪胎吊在下放集裝箱。實(shí)施AFE能量回饋系統(tǒng)改造后，下放集裝箱的輪胎吊回饋的電能可以被提升集裝箱的輪胎吊利用。當(dāng)然，單條滑觸線內(nèi)回饋的電能不可能被完全利用，此部分能量通過變壓器由下面2個渠道被利用掉：向其他滑觸線的輪胎吊供電；向高架“油改電”輪胎吊配電網(wǎng)絡(luò)上的其他用電設(shè)備供電。

2.2.2 單臺輪胎吊能量回饋系統(tǒng)改造設(shè)計(jì)方案

改造前，輪胎吊的主要電氣設(shè)備包括不控整流單元、起升機(jī)構(gòu)、大車機(jī)構(gòu)、小車機(jī)構(gòu)和制動單元。網(wǎng)側(cè)采用不控整流單元，起升、大車、小車變頻器直接掛在直流母線上，采用制動電阻器能耗制動。安裝海得HDM系列AFE能量回饋系統(tǒng)的輪胎吊電氣系統(tǒng)如圖6所示。

圖6 安裝海得HDM系列AFE能量回饋系統(tǒng)的

輪胎吊電氣系統(tǒng)

可控整流及能量回饋裝置直流輸出端直接接至變頻器的直流母排，使用市電網(wǎng)絡(luò)。當(dāng)能量回饋裝置投入使用時(shí)，制動斬波器不會觸發(fā)，制動電阻器不介入工作；當(dāng)能量回饋裝置不投入使用時(shí)，變頻器本身的二極管供電回路工作，當(dāng)集裝箱下放變頻器直流母線電壓升高到制動斬波器觸發(fā)電壓時(shí)，制動斬波器導(dǎo)通，制動電阻器工作。

當(dāng)輪胎吊轉(zhuǎn)場使用柴油發(fā)電機(jī)組供電時(shí)，可通過司機(jī)室操作臺上的選擇開關(guān)，關(guān)閉可控整流及能量回饋裝置，此時(shí)能量回饋裝置不投入工作，設(shè)備與柴油發(fā)電系統(tǒng)聯(lián)鎖。可控整流及能量回饋裝置與原來的整流裝置進(jìn)線接觸器采用電氣聯(lián)鎖保護(hù)，可通過聯(lián)鎖接觸器來選擇輪胎吊使用能量回饋裝置或者原來的整流二極管能耗電阻器裝置。

另外，在輪胎吊上安裝四象限電能計(jì)量表，用以記錄輪胎吊的耗電量、回饋電量、有功和無功電量，方便節(jié)能效果統(tǒng)計(jì)和作業(yè)耗電分析。

2.3 高架“油改電”輪胎吊AFE能量回饋系統(tǒng)改造效果評估

寧波港吉（意寧）碼頭經(jīng)營有限公司的50臺輪胎吊于2015年11月底完成AFE能量回饋系統(tǒng)改造并投入運(yùn)行。對其中1臺輪胎吊進(jìn)行數(shù)據(jù)跟蹤分析，AFE能量回饋系統(tǒng)投入使用前后的電壓、電流、諧波、功率因數(shù)、節(jié)能情況分別見表1和表2。

AFE能量回饋系統(tǒng)投入使用前，電網(wǎng)諧波遠(yuǎn)高于4%；投入使用后，電網(wǎng)諧波被控制在4%以內(nèi)。AFE能量回饋系統(tǒng)投入使用前，功率因數(shù)為0.941；投入使用后，功率因數(shù)在0.998左右，非常接近于1。AFE能量回饋系統(tǒng)投入使用后，電能回饋的節(jié)能效率為34%左右，節(jié)能效果明顯。

3 結(jié)束語

將AFE能量回饋技術(shù)應(yīng)用于具有較大轉(zhuǎn)動慣量起重設(shè)備的變頻調(diào)速系統(tǒng)中，既能提升系統(tǒng)的制動性能，又能達(dá)到節(jié)能的目的，并且可以改善電能質(zhì)量，控制諧波影響，提高設(shè)備功率因數(shù)。另外， AFE裝置能有效替代變頻系統(tǒng)的整流單元，直接配合逆變器使用，不僅能達(dá)到節(jié)能的目的，而且有助于碼頭公司減少采購成本。由此可見，AFE能量回饋系統(tǒng)在港口傳統(tǒng)輪胎吊及其他起重設(shè)備的節(jié)能減排技術(shù)改造方面具有廣闊的應(yīng)用推廣前景。

（編輯：曹莉瓊 收稿日期：2017-10-30）endprint