徐旭麗 張輝 吳立飛

傳統(tǒng)輪胎式集裝箱龍門起重機（以下簡稱輪胎吊）由柴油發(fā)電機組供電，采用電力二極管不可控（以下簡稱不控）整流電路，該電路輸出電壓波形波動較大，對交流母線側電網(wǎng)造成一定影響（使其功率因數(shù)不可控并產(chǎn)生一定脈動等）；同時，該電路可通過的電流較大，控制相對較簡單。在輪胎吊吊具下放和大車、小車減速制動過程中，電機處于再生發(fā)電狀態(tài)，勢能轉換的電能無法回饋到電網(wǎng)，剩余的電能通過直流側的制動裝置，由制動電阻消耗熱能防止直流側母線過壓。不控整流電路及制動電阻發(fā)熱消耗電能，造成機房設備溫度升高，設備故障頻率隨之升高。可見，電能的不可回饋性一直是輪胎吊存在的問題。寧波港吉碼頭經(jīng)營有限公司（以下簡稱港吉公司）于2012年實施輪胎吊油改電，實現(xiàn)市電供電，使變頻器制動過程中產(chǎn)生的能量回饋給電網(wǎng)變成可能。為進一步降低能耗，該公司自 2013年開始研究并應用輪胎吊設備能量回饋技術，以改善電能質(zhì)量，提高功率因數(shù)，實現(xiàn)節(jié)能降耗。

1 能量回饋技術基本原理

能量回饋技術能將運動中負載上的機械能（位能、動能）通過能量回饋裝置轉化成電能（再生電能）并回送給交流電網(wǎng)，同時供附近其他用電設備使用，使電機拖動系統(tǒng)在單位時間內(nèi)消耗電網(wǎng)電能下降，從而達到節(jié)約電能的目的。能量回饋裝置分為半控整流能量回饋裝置和全控整流能量回饋裝置。

1.1 半控整流能量回饋裝置工作原理

如圖1所示：在變頻器控制電機起升過程中，仍采用不控整流器給變頻器提供直流電源；在變頻器制動過程中，直流母線電壓升高，能量回饋裝置工作，將由動能轉化成的電能回饋到電網(wǎng)。半控整流能量回饋裝置只在變頻器制動時工作，相當于僅替換了制動電阻。

1.2 全控整流能量回饋裝置工作原理

如圖2所示：能量回饋裝置投入運行，接觸器K1斷開，K2閉合；當變頻器控制電機起升時，采用能量回饋裝置給變頻器提供直流電源；當變頻器制動時，能量回饋裝置將由動能轉化成的電能回饋到電網(wǎng)。在全控整流方式下，能量回饋裝置完全替代了二極管不控整流器和制動電阻。

1.3 半控與全控整流能量回饋方式的區(qū)別

（1）功率因數(shù)不同。在半控整流能量回饋方式下，當變頻器控制電機處于電動工況時，仍采用變頻器不控整流器給變頻器提供直流電源，功率因數(shù)不可控，且其整體功率因數(shù)較低；相比之下，全控整流能量回饋方式實現(xiàn)能量的雙向回饋，大大提高功率因數(shù)。

（2）調(diào)整電壓、電流的諧波不同。在半控整流能量回饋方式下，由于變頻器控制電機處于電動工況時仍由變頻器不控整流器給變頻器逆變器供電，其網(wǎng)側輸入電流波形正弦性較差，電壓、電流畸變率未得到改善；相比之下，全控整流能量回饋裝置配備高性能濾波器，其與變頻器配合實現(xiàn)能量的雙向流動，電機四象限運行，消除網(wǎng)側諧波污染，電網(wǎng)側的電流接近于正弦波，使電能質(zhì)量獲得改善。

（3）結構和價格不同。半控整流能量回饋裝置的整體結構緊湊，造價低；全控整流能量回饋裝置的整體結構體積大，造價高。

2 輪胎吊能量回饋技術改造

2.1 實施改造項目

由于半控整流能量回饋方式具有反饋能量小、電網(wǎng)諧波大、功率因數(shù)提高不明顯等缺點，港吉公司輪胎吊能量回饋技術改造采用全控整流能量回饋方式。分3個階段進行輪胎吊能量回饋技術改造項目，在每個階段開始之前都對項目進行可行性分析，并分析項目投資成本、企業(yè)效益目標、社會效益目標等。第一階段項目實施之前，參考上海港、寧波港兄弟公司輪胎吊能量回饋技術改造測試數(shù)據(jù)和節(jié)能效益分析，結合公司輪胎吊的實際情況，嘗試對10臺輪胎吊進行能量回饋技術改造。

2013年3―10月，通過項目招投標，上海海得控制系統(tǒng)股份有限公司（以下簡稱海得公司）承接5臺輪胎吊能量回饋技術改造，選擇采用HDM能量回饋裝置；寧波北侖旻龍節(jié)能改造工程有限公司（以下簡稱旻龍公司）承接5臺輪胎吊能量回饋技術改造，選擇采用匯川MD601D能量回饋裝置，改造費用約為15萬元。

2014年3―11月，第一階段項目的測試數(shù)據(jù)、性能分析、效益指標為開展第二階段項目提供可行性分析數(shù)據(jù)和招投標評分依據(jù)。第二階段項目包括20臺輪胎吊能量回饋技術改造項目，其中，15臺選用HDM能量回饋技術，5臺選用MD601D能量回饋技術，單臺改造費用約為13.5萬元。

2015年2―11月，根據(jù)前期能量回饋技術改造實踐應用數(shù)據(jù)分析，通過公開招投標，對30臺輪胎吊進行能量回饋技術改造，選擇HDM能量回饋技術；項目由上海海得控制系統(tǒng)股份有限公司承接，單臺改造費用為12.5萬元。

目前，港吉公司有72臺輪胎吊設備，其中：10臺輪胎吊采用MD601D能量回饋技術；62臺輪胎吊采用HDM能量回饋技術，其中12臺設備在出廠時就要求具有HDM能量回饋功能。

2.2 改造測試數(shù)據(jù)分析

第一階段10臺輪胎吊能量回饋技術改造完成后，對采用不同能量回饋裝置輪胎吊的回饋性能進行測試和數(shù)據(jù)分析。

2.2.1 旻龍公司改造情況

旻龍公司完成5臺輪胎吊（19號、35號、50號、52號和55號輪胎吊）的能量回饋技術改造，實現(xiàn)MD601D能量回饋柜與用戶原先的整流能耗系統(tǒng)的正常切換，且MD601D能量回饋柜與用戶可編程邏輯控制系統(tǒng)協(xié)調(diào)運行良好。2014年1月，將功率分析儀及鉗形電流表用作測試電表，對采用MD601D能量回饋裝置的輪胎吊進行測試。

2.2.1.1 測試流程及說明

測試流程如下：輪胎吊起升機構空載下降到地面，重載上升到最大高度；小車平移機構重載從海側移到陸側；吊具重載下降到地面，空載上升到最大高度；大車沿軌道運行一段距離后回到原位，起升機構空載下降到地面，重載上升到最大高度；小車平移機構重載從陸側移到海側，起升機構空載上升到最大高度。在整個過程中，輪胎吊起升機構重載上升2次并下降2次，空載上升2次并下降2次。當不使用能量回饋裝置時，起升機構下降產(chǎn)生的電能由制動電阻發(fā)熱消耗掉了；使用能量回饋裝置后，起升機構下降產(chǎn)生的電能由能量回饋系統(tǒng)反饋到電網(wǎng)。

2.2.1.2 測試數(shù)據(jù)

對55號龍門吊使用能量回饋裝置前后的電壓、電流、電壓諧波、電流諧波、功率因數(shù)、節(jié)能情況等進行測試，數(shù)據(jù)見表1～4。

使用能量回饋裝置時輪胎吊起升機構重載上升時的功率分析儀顯示數(shù)據(jù)如圖3所示，從中可以了解當前的電壓、電流、功率因數(shù)及高次諧波的具體含量。

使用能量回饋裝置時輪胎吊起升機構重載上升時的電壓、電流波形如圖4所示，其中，黃色為電壓，藍色為電流；從中可以看出電壓和電流均為比較完美的正弦波，說明此時的諧波含量較小，電網(wǎng)質(zhì)量較好。

不使用能量回饋裝置時輪胎吊起升機構重載上升時的功率分析儀顯示數(shù)據(jù)如圖5所示，從中可以了解當前的電壓、電流、功率因數(shù)及高次諧波的具體含量，此時的電壓諧波含量和電流諧波含量均較大。

不使用能量回饋裝置時輪胎吊起升機構重載上升時的電壓、電流波形如圖6所示，其中，黃色為電壓，藍色為電流；從中可以看出電流波形較差，說明諧波含量較大。

2.2.1.3 測試數(shù)據(jù)說明

（1）諧波 從表1～2可見，MD601D能量回饋裝置對電壓諧波及電流諧波均有明顯抑制作用：電壓諧波能限制在4%以內(nèi)；起升機構重載運行時電流諧波限制在4%以內(nèi)，空載運行時電流諧波限制在6%以內(nèi)。電流諧波是以有效值來衡量的，不同的電網(wǎng)容量對電流諧波有效值的要求是不一樣的。輪胎吊

空載小車運行時的諧波含量為5%，由于此時電流較小，所以電流諧波的有效值也較小。在不使用能量回饋裝置的條件下，輪胎吊起升機構重載運行時的電壓諧波含量在7.59%左右，超過國家標準5%的要求，電流諧波含量在30%左右?？梢?，MD601D能量回饋系統(tǒng)回饋的電能達到國家標準，同時還能降低原有系統(tǒng)的諧波含量。

（2）回饋節(jié)能效率 從表3～4可見，在使用能量回饋裝置的條件下輪胎吊空載工況平均節(jié)電效率達10%，重載工況平均節(jié)電效率達31%，平均單個工作循環(huán)節(jié)電量為2 kW h左右，表明運用能量回饋技術的節(jié)能效果非常明顯。

（3）電網(wǎng)功率因數(shù) 從表1～2可見：在輪胎吊起升機構空載的情況下，不使用能量回饋裝置時的電網(wǎng)系統(tǒng)功率因數(shù)為0.75～0.90，使用能量回饋裝置時的功率因數(shù)可達0.92～0.98；在輪胎吊起升機構重載的情況下，不使用能量回饋裝置時的電網(wǎng)系統(tǒng)功率因數(shù)為0.850～0.910，使用能量回饋裝置時的功率因數(shù)為0.950～0.988，有效提高電能利用率。

2.2.2 海得公司改造情況

海得公司完成5臺輪胎吊（4號、5號、16號、43號和59號輪胎吊）的能量回饋技術改造，實現(xiàn)HDM能量回饋柜與用戶原先整流能耗系統(tǒng)的正常切換，HDM能量回饋柜與用戶可編程邏輯控制系統(tǒng)協(xié)調(diào)運行良好。2014年1月，選用電能質(zhì)量分析儀、電流探頭為測試電表，對采用HDM 能量回饋裝置的輪胎吊進行測試。

2.2.2.1 測試流程及說明

測試流程如下：輪胎吊吊具空載下降到地面，吊重箱起升到最高處，然后將重箱放下落地；在使用能量回饋裝置和不使用能量回饋裝置工況下分別對同一個集裝箱重復起吊3次，通過電能質(zhì)量分析儀記錄輪胎吊總進線處的用電情況和回饋電量。

2.2.2.2 測試數(shù)據(jù)

對使用能量回饋裝置和不使用能量回饋裝置的43號輪胎吊的電壓、電流、電壓諧波、電流諧波、功率因數(shù)、節(jié)能情況進行測試，數(shù)據(jù)見表5～6。

2.2.2.3 測試數(shù)據(jù)說明

（1）諧波 從表5可見：當輪胎吊起升機構重載上升時，在不使用能量回饋裝置的條件下，其電壓諧波和電流諧波含量分別為9.1%和26.4%，在使用能量回饋裝置的條件下，其電壓諧波和電流諧波含量相應減至2.1%和2.6%；當輪胎吊起升機構重載下降時，在使用能量回饋裝置的條件下，其電壓諧波和電流諧波含量明顯減少。這表明，能量回饋裝置有助于提高發(fā)電、輸電及用電設備效率，緩解電機、電抗器、電纜等設備發(fā)熱、絕緣老化現(xiàn)象，延長設備使用壽命，同時對改善通信、繼電保護自動裝置的干擾和誤動作等具有一定作用。

（2）回饋節(jié)能效率 從表6可見，使用能量回饋裝置后，系統(tǒng)可反饋電能34.50%左右。

（3）電網(wǎng)功率因數(shù) 在不使用能量回饋裝置時，輪胎吊起升機構重載上升過程中的電網(wǎng)系統(tǒng)功率因數(shù)為0.941（空載功率因數(shù)更低），而使用能量回饋裝置后的功率因數(shù)達0.998，大大減少線路中的能量損耗，有利于節(jié)約電費，降低生產(chǎn)成本。

2.3 改造應用效果

將實施HDM能量回饋裝置和MD601D能量回饋裝置改造后的10臺輪胎吊投入試運行，應用測試數(shù)據(jù)見表7?？梢?，使用能量回饋裝置后，輪胎吊的節(jié)電效率達30%左右，單箱電耗為 h/TEU左右，大大降低輪胎吊裝卸能源成本。綜合來看，MD601D能量回饋技術與HDM能量回饋技術在性能指標方面各有優(yōu)勢，不過HDM能量回饋裝置的改造成本相對較低。

3 輪胎吊能量回饋技術改造經(jīng)濟效益

輪胎吊實施能量回饋技術改造后，電能的回饋性提高了電網(wǎng)系統(tǒng)的功率因數(shù)，改善了電網(wǎng)的穩(wěn)定性。按改造后輪胎吊節(jié)能30%，電輪胎吊利用率85%，年作業(yè)箱量12萬TEU測算，單臺輪胎吊全年可節(jié)省電費元，節(jié)約標準煤約13 t；按單臺能量回饋裝置的購置和安裝費為13.5萬元計算，投資回收期約為2.5年。

2011―2015年港吉公司輪胎吊能源消耗數(shù)據(jù)見表8。從“油改電”到能量回饋技術改造，輪胎吊設備單耗越來越小，單箱節(jié)約成本效果顯著。由于輪胎吊具有轉場作業(yè)、空載時間多、油車方便作業(yè)等特點，電車作業(yè)比例不高，致使能量回饋技術的應用受限，從而使輪胎吊全年單耗與測試階段單耗存在較大差距。未來，有必要進一步提高電車作業(yè)比例，減少空載時間，使能量回饋技術效能最大化，提高設備功率因數(shù)，改善電網(wǎng)質(zhì)量，節(jié)約能耗。

（編輯：曹莉瓊 收稿日期：2016-04-10）