許奕群

摘要：為提高RTG在生產(chǎn)過程中能量的有效回收，對(duì)傳統(tǒng)采用電阻耗能制動(dòng)方式的RTG進(jìn)行改造，在電源進(jìn)線側(cè)運(yùn)用有源整流AFE能量回饋裝置，實(shí)現(xiàn)將多余的能量無污染的回饋給電網(wǎng)，同時(shí)可保證直流母線電壓的穩(wěn)定可控、提高系統(tǒng)功率因素，達(dá)到綠色節(jié)能的目的。

關(guān)鍵詞：RTG;能量回收;整流回饋單元;穩(wěn)定可控

0? 引言

隨著越來越突出的能源與環(huán)境問題，節(jié)能減排已成為國家、企業(yè)和人們關(guān)注的焦點(diǎn)。作為集裝箱港口企業(yè)大力推進(jìn)港口設(shè)備的節(jié)能改造，在RTG上加裝整流回饋裝置（AFE），將傳統(tǒng)RTG把多余能量采用制動(dòng)電阻發(fā)熱消耗方式轉(zhuǎn)變?yōu)橥ㄟ^AFE將再生能量最大化回饋到電網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)設(shè)備的節(jié)能化，大力響應(yīng)國家節(jié)能減排要求的同時(shí)也給企業(yè)帶來長久的經(jīng)濟(jì)效益。

本文對(duì)整流回饋技術(shù)進(jìn)行分析，在原有RTG供配電系統(tǒng)上加以改動(dòng)優(yōu)化，可以在不影響原系統(tǒng)安全性和可靠性的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步提高能量的利用率，節(jié)能效果顯著，有良好的應(yīng)用和推廣前景。

1? 變頻器能量回饋技術(shù)的研究現(xiàn)狀

電力電子技術(shù)的發(fā)展為電機(jī)再生能量回收利用提供了更多的解決方案，能量回饋[1]技術(shù)也因此出現(xiàn)了多方面的發(fā)展。目前國內(nèi)外常用的變頻器能量回饋制動(dòng)技術(shù)主要有：共用直流母線技術(shù)、超級(jí)電容儲(chǔ)能技術(shù)、變頻器能量回饋技術(shù)。國內(nèi)外許多知名生產(chǎn)廠家也研制出適用于不同場(chǎng)合的能量回饋產(chǎn)品，如德國西門子研制出ALM、SLM系列變頻器，日本安川研制出FSD整流回饋單元，瑞士ABB研制出ISU供電單元，深圳匯川研制出MD050N系列主動(dòng)式前端AFE單元。

2? 能量回饋方式比較

2.1 傳統(tǒng)RTG再生電能處理方式

RTG是港口的主要生產(chǎn)設(shè)備，其中起升機(jī)構(gòu)是典型的位能性負(fù)載，在負(fù)載下降時(shí)，起升電機(jī)處于發(fā)電狀態(tài)，這部分電能通過逆變部分IGBT的續(xù)流二極管回到直流母線使母線電壓升高，由于傳統(tǒng)RTG變頻器大多是采用二極管整流，不能實(shí)現(xiàn)能量的雙向流動(dòng)，因此采用了制動(dòng)電阻的能耗制動(dòng)方式把這部分再生電能轉(zhuǎn)化為熱能消耗掉，傳統(tǒng)RTG能耗制動(dòng)原理見圖1。采用此種方式，不僅對(duì)再生能量造成白白的浪費(fèi)，而且根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)在雨天潮濕環(huán)境下，能耗電阻箱因?yàn)槲锤稍锏囊蛩剡€會(huì)造成故障影響設(shè)備的穩(wěn)定運(yùn)行。

2.2 超級(jí)電容儲(chǔ)能方式

為解決傳統(tǒng)電能損耗的問題，超級(jí)電容儲(chǔ)能技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。其原理是：將大容量、高轉(zhuǎn)換效率特性的電容并聯(lián)在公共直流母線上，由于超級(jí)電容的儲(chǔ)能能力，當(dāng)電機(jī)工作在發(fā)電狀態(tài)時(shí)可以先將電能儲(chǔ)存在超級(jí)電容里，當(dāng)電機(jī)工作在電動(dòng)狀態(tài)時(shí)又可將儲(chǔ)存的電能反饋至母線上，實(shí)現(xiàn)了再生電能有效利用。目前因電容的制造工藝和材料限制、母線電壓不可控等因數(shù)，超級(jí)電容技術(shù)未得到廣泛應(yīng)用。

2.3 有源整流回饋電能處理方式

有源整流方式的整流橋由傳統(tǒng)的二極管不可控器件替代為可控的 IGBT 橋，提供無功功率的補(bǔ)償，實(shí)現(xiàn)了電機(jī)的四象限運(yùn)行，有源整流技術(shù)變頻器原理見圖2。系統(tǒng)可調(diào)節(jié)和穩(wěn)定直流母線電壓，這意味著連接的逆變器不受進(jìn)線電壓影響，在容許的線電壓波動(dòng)范圍內(nèi)，不會(huì)影響逆變輸出的電機(jī)電壓。而且有源整流模塊總是與有源濾波裝置一起運(yùn)行，高效能的諧波抑制使得諧波畸變也非常小，符合電能質(zhì)量國標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)，是一種節(jié)能的綠色環(huán)保無污染電力電子裝置。

2.4 方案的選擇

碼頭RTG從生產(chǎn)過程中對(duì)再生能量利用的方面進(jìn)行改造，通過方案的綜合比較，選用在RTG上安裝有源整流AFE能量回饋裝置，考慮因數(shù)主要有：①碼頭現(xiàn)有RTG實(shí)現(xiàn)油改電后，受電方式改為市電供電，選用電能回饋裝置必須保證回饋的電能諧波畸變小，符合回饋電網(wǎng)的國標(biāo)要求;②碼頭部分RTG已經(jīng)改造為電池轉(zhuǎn)場(chǎng)或全電動(dòng)龍門吊，其中對(duì)鋰電池充電的關(guān)鍵要素是母線電壓[2]需穩(wěn)定可控，且母線電壓[2]要保證和鋰電池組電壓在一定壓差范圍內(nèi)才能高效穩(wěn)定對(duì)其充電，有源整流AFE能量回饋裝置能保證恒定的直流母線電壓，且母線電壓參數(shù)可設(shè)定，即使對(duì)于波動(dòng)較大（20%振幅）的電源電壓，仍可以保持穩(wěn)定的性能;③對(duì)原RTG的改造，只需在原電控系統(tǒng)的基礎(chǔ)上加裝此套回饋裝置，簡(jiǎn)單易行，具測(cè)算單機(jī)在一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)工況下可節(jié)省總耗電量的30%以上，改造后不僅投資額少，而且提高了整機(jī)的能源利用率，長久的節(jié)能收益更加可觀。

3? 有源整流AFE能量回饋裝置的方案分析

3.1 有源整流AFE能量回饋裝置改造原理

碼頭RTG的主流電控系統(tǒng)為西門子或安川系列變頻器，具體方案是在原系統(tǒng)公共母線基礎(chǔ)上，加裝一套有源前端AFE，控制IGBT三相整流橋高速切換，提供恒定可控的直流母線電壓，也能將由設(shè)備回饋的再生電能及時(shí)、高效返回電網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)電源側(cè)的四象限運(yùn)行，并通過前端濾波和儲(chǔ)能環(huán)節(jié)使交流輸入電流接近正弦波，降低設(shè)備在電動(dòng)和回饋時(shí)電壓和電流的諧波含量。

3.2 諧波實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分析

選用AFE能量回饋系統(tǒng)改造必須保證其回饋的電能諧波率符合國標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)改造完成的設(shè)備，用電能質(zhì)量分析儀在系統(tǒng)進(jìn)線端進(jìn)行測(cè)試和分析。測(cè)試條件為在標(biāo)準(zhǔn)工況下，系統(tǒng)的實(shí)測(cè)諧波數(shù)據(jù)和電能數(shù)據(jù)，標(biāo)準(zhǔn)工況流程見圖3。

樣本中截取一次標(biāo)準(zhǔn)工況下的測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行分析如下：

3.2.1 功率波形

功率波形見圖4，這段數(shù)據(jù)記錄了一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)工況下運(yùn)行情況，根據(jù)功率曲線可以很方便的看出各個(gè)階段的機(jī)構(gòu)運(yùn)行，如滿載上升時(shí)，功率約-190kW，表示從電網(wǎng)吸收的功率為190kW，滿載下降時(shí)，功率約

+140kW，表示向電網(wǎng)釋放的功率為140kW。

3.2.2 電壓諧波

測(cè)試出的標(biāo)準(zhǔn)工況下電壓諧波波形見圖5，電壓諧波THD-f（U）全程控制在3%內(nèi)，其中THD-f（U）為相對(duì)于基波的電壓諧波?？傠妷褐C波畸變率和各次諧波電壓含有率均滿足要求，符合GB/T 14549-1993公用電網(wǎng)諧波中電壓總諧波率小于5%的規(guī)定。

3.2.3 電流諧波

整流回饋單元額定輸出為372A，電流在起升機(jī)構(gòu)勻速上升階段，出現(xiàn)最大值270A（小于額定電流），此時(shí)功率約-190kW，為額定功率的76%。電流的諧波含有率變化較大，當(dāng)基波電流大時(shí)，諧波含量較小，當(dāng)基波電流小時(shí)，諧波含量較高。總諧波電流測(cè)試數(shù)據(jù)見表1，取95%概率值計(jì)算三相諧波電流，分別為：A1相11.95/372=3.2%，A2相9.92/372=2.67%，A3相10.09/372=2.71%，符合標(biāo)準(zhǔn)中額定輸出電流總諧波率小于5%標(biāo)準(zhǔn)。

總結(jié)：經(jīng)測(cè)試計(jì)算分析選擇此套有源整流AFE能量回饋裝置，能滿足總諧波率的要求，可以無污染的回饋電網(wǎng)。

3.3 單機(jī)節(jié)電率測(cè)算

RTG改造后，系統(tǒng)所能節(jié)約的電能也是考察此套裝置是否經(jīng)濟(jì)可行的關(guān)鍵因數(shù)，改造后通常要求單機(jī)節(jié)電率要大于30%。

測(cè)試方法：在能量回饋裝置投入和不投入工況下分別對(duì)同一個(gè)集裝箱重復(fù)標(biāo)準(zhǔn)工況10次，通過電能質(zhì)量分析儀測(cè)量整臺(tái)RTG的用電量和反饋電量。以10次實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的平均值為依據(jù)計(jì)算能量回饋裝置投入和不投入節(jié)電效果。每次標(biāo)準(zhǔn)工況測(cè)量的節(jié)電率計(jì)算公式如下：

單機(jī)節(jié)電率測(cè)試統(tǒng)計(jì)表見表2，經(jīng)計(jì)算得出標(biāo)準(zhǔn)工況下節(jié)電率約為38.05%，采用有源整流AFE能量回饋裝置后節(jié)能效果非常明顯。

4? 結(jié)語

RTG實(shí)施有源整流AFE能量回饋改造后，對(duì)比AFE投入和不投入時(shí)的用電量可達(dá)到35%以上的節(jié)能效果;通過改造還可提高設(shè)備電能的功率因數(shù)，相應(yīng)減少線路中電壓的損耗，節(jié)約電費(fèi)，降低生產(chǎn)成本;母線電壓能保持恒定且可控制，為傳統(tǒng)柴油發(fā)動(dòng)機(jī)RTG進(jìn)行鋰電動(dòng)力改造提供保障;回饋的電能總諧波率滿足國標(biāo)要求，能安全無污染的回饋總電網(wǎng)。對(duì)RTG進(jìn)行有源整流AFE能量回饋技術(shù)改造，符合國家節(jié)能減排的政策方針，加裝簡(jiǎn)單易行，基本沒有改造風(fēng)險(xiǎn)，且投資較小，可于較短時(shí)間內(nèi)收回投資，改造后長期收益大。

參考文獻(xiàn)：

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