高架“油改电”轮胎吊有源前端能量回馈系统应用及推广

朱琳杰

利用变频控制技术的集装箱轮胎式龙门吊（以下简称“轮胎吊”）早期由柴油发电机组供电，排量大且能耗高。宁波港吉（意宁）码头经营有限公司响应国家节能减排的号召，对传统用油的轮胎吊实施高架“油改电”改造，以清洁、高效的市电代替柴油发电机组供电，从而大幅降低其能耗。轮胎吊“油改电”并不是码头节能减排的终点，研究发现，“油改电”轮胎吊还有进一步节能降耗的潜力可挖。

传统变频控制系统下的轮胎吊在下放集装箱以及大车、小车制动过程中，电动机处于再生发电状态，势能转换的电能无法回馈到变频器供电电网，只能通过变频器直流侧制动单元中的制动电阻变成热能消耗掉，以免因直流侧母线过压而损坏电气元件，从而造成巨大的电能浪费。采用有源前端（active front end，AFE）可控整流技术的能量回馈装置可以使这部分再生能量返回至电网，进一步降低能耗。宁波港吉（意宁）码头经营有限公司经过技术改造将AFE能量回馈系统安装到高架“油改电”轮胎吊上，节能降耗的效果显著，具有广阔的推广前景。

1 AFE能量回馈系统原理

为使变频器能在发电状态下将制动的能量回馈至电网，降低能耗，实现四象限运行，通常有两种做法。第一种做法是采用普通的能量回馈方式，即给变频器配1个或多个能量回馈单元，能量回馈单元并联，可将能量回馈至电网，其工作原理见图1。能量回馈单元没有数字信号处理器，所有控制功能由硬件完成，逆变功率部分采用绝缘栅双极型晶体管，实际应用时的电气连接见图2。

能量回馈单元将电机制动时产生并输入到变频器母线的能量逆变生成与电网同步、同相位的交流正弦波，将电能回馈至电网，具体特点如下：（1）能量只能从变频器直流母线流向电网，单向不可逆；（2）所有控制功能由硬件完成，无数字信号处理器，功能单一，除回馈能量外无其他功能；（3）与变频器主回路分开，除将变频器母线多余能量回馈至电网外，对变频器运行无其他优化功能；（4）能量回馈单元可并联，各自独立工作（见图3）。

第二种做法是给变频器配置AFE。主电路采用绝缘栅双极型晶体管全控式开关元件，AFE处理器为高速数字信号处理器芯片，系统的“交-直”环节与“直-交”环节的结构完全相同；采用正弦脉宽调制模式，可控制交流电流的大小和相位，并通过前端的滤波、储能环节使交流输入电流接近正弦波；当电机侧的制动能量通过逆变器返回而使直流母线电压升高时，可以使交流输入电流的相位与电源电压相位相反，实现再生发电运行，并将再生功率回馈到交流电网，使系统处于有源逆变工作状态。AFE既可作为整流器工作，也可作为逆变器工作，实现电源侧的四象限运行，从而实现可控整流及能量回馈。变频器AFE能量回馈系统电气原理如图4所示。

变频器AFE能量回馈系统工作原理如下。

（1）不控整流 三相电源R，S，T经无源滤波电路、PFC电感器、上电缓冲电路，经反向并联二极管（绝缘栅双极型晶体管）D1～D6整流后对母线电容器进行充电，此时绝缘栅双极型晶体管不工作，只充当普通整流桥的角色。

（2）可控整流 三相电源R，S，T经无源滤波电路、PFC电感器、上电缓冲电路，通过控制绝缘栅双极型晶体管 Q1～Q6的通断，配合二极管D1～D6，可实现对PFC电感器的充放能及母线电容的充放电。

（3）逆变 通过控制绝缘栅双极型晶体管 Q1～Q6按一定规律通断，可将直流母线电压逆变成相位和幅值与电源电压相同的交流电并回馈至电网，即常说的能量回馈。逆变的原理与驱动电机类似，只是绝缘栅双极型晶体管T的开关方式略有不同。逆变时，因最终能量送回电网，PFC电感器中的能量同样也送回电网。PFC电感器起滤波的作用，可有效降低諧波。

对比两种能量回馈方式，AFE能量回馈系统具有以下优点。

（1）AFE整流和逆变器前端的电压与电流波形均已滤波成正弦波形，电压与电流正弦波形间的相位差角可以在一定范围内按需要设定；因此，功率因数能以1为中点而正负可调，甚至可以对供电系统进行有源的功率因数补偿。

（2）因可控整流，回路中又有无源滤波电路和PFC电感器，谐波可降至很低，通常小于5%。

（3）直流母线电压可在一定范围内设定，设定值即为稳压值；因此，一定范围内的电网电压波动，或者瞬间电压跌落或过电压，均不会影响母线电压，特别适合在供电电压长期偏低的情况下使用，能提高变频器的控制性能及可靠性。

（4）采用高速数字信号处理芯片，数字控制的能量回馈可最大限度地将多余能量回馈至电网，节能降耗效果十分明显。

（5）可自动检测进线电流、电源电压和电源频率等。

（6）过热、过流、过压、欠压、输入缺相等各种保护功能齐全。

2 高架“油改电”轮胎吊能量回馈系统改造

宁波港吉（意宁）码头经营有限公司采用上海海得控制系统股份有限公司（以下简称“海得”）的HDM系列AFE能量回馈系统，对50台高架“油改电”轮胎吊实施技术改造，并完成相关验证和测试。

2.1 海得AFE能量回馈系统介绍

海得HDM系列AFE能量回馈系统采用矢量控制算法，对有功和无功进行解耦，对模块电流和直流母线电压进行双闭环控制，实现电网与直流母线间能量的双向流动，与通用变频器配合可形成四象限变频控制模式，既可以向变频器提供高质量的直流电源，又可将制动能量回馈至电网。能量回馈装置的结构组成与变频器的输出逆变部分一样，在绝缘栅双极型晶体管组成三相桥式结构上，采用空间矢量脉宽调制技术，控制绝缘栅双极型晶体管开关状态的高速切换，并配备高性能滤波器，可使设备的功率因数达0.99以上，大大降低交流输入端的电流谐波含量，提高电网的电能质量。

另外，海得HDM系列AFE能量回馈系统适用的变频器品牌广泛，能与ABB、安川、西门子、富士、施耐德等变频器配用，且在具体使用时既可以与逆变器配用，也可以与变频器配用，并且无须改动。endprint

2.2 高架“油改电”轮胎吊能量回馈系统改造方案

2.2.1 高架“油改电”轮胎吊配电网络设计

宁波港吉（意宁）码头经营有限公司“油改电”轮胎吊采用高架滑触线供电方式，其配电网络如图5所示。实施AFE能量回馈系统改造后，单台轮胎吊的用电设备主要包括可控整流及能量回馈装置（与变频器连接）、空调和照明等其他用电设备。当轮胎吊提升重物时，可控整流及能量回馈装置从电网吸收电能；当轮胎吊下放重物时，能量回馈装置向本台轮胎吊上的空调、照明和控制回路等用电设备提供电能，同时向电网回馈电能。

高架“油改电”轮胎吊配电网络系统上单条滑触线所运行的轮胎吊在某一时刻同时提升或下放集装箱的概率很低，也就是说，通常情况下，在某一时刻，有数台轮胎吊在提升集装箱，有数台轮胎吊在下放集装箱。实施AFE能量回馈系统改造后，下放集装箱的轮胎吊回馈的电能可以被提升集装箱的轮胎吊利用。当然，单条滑触线内回馈的电能不可能被完全利用，此部分能量通过变压器由下面2个渠道被利用掉：向其他滑触线的轮胎吊供电；向高架“油改电”轮胎吊配电网络上的其他用电设备供电。

2.2.2 单台轮胎吊能量回馈系统改造设计方案

改造前，轮胎吊的主要电气设备包括不控整流单元、起升机构、大车机构、小车机构和制动单元。网侧采用不控整流单元，起升、大车、小车变频器直接挂在直流母线上，采用制动电阻器能耗制动。安装海得HDM系列AFE能量回馈系统的轮胎吊电气系统如图6所示。

图6 安装海得HDM系列AFE能量回馈系统的

轮胎吊电气系统

可控整流及能量回馈装置直流输出端直接接至变频器的直流母排，使用市电网络。当能量回馈装置投入使用时，制动斩波器不会触发，制动电阻器不介入工作；当能量回馈装置不投入使用时，变频器本身的二极管供电回路工作，当集装箱下放变频器直流母线电压升高到制动斩波器触发电压时，制动斩波器导通，制动电阻器工作。

当轮胎吊转场使用柴油发电机组供电时，可通过司机室操作台上的选择开关，关闭可控整流及能量回馈装置，此时能量回馈装置不投入工作，设备与柴油发电系统联锁。可控整流及能量回馈装置与原来的整流装置进线接触器采用电气联锁保护，可通过联锁接触器来选择轮胎吊使用能量回馈装置或者原来的整流二极管能耗电阻器装置。

另外，在輪胎吊上安装四象限电能计量表，用以记录轮胎吊的耗电量、回馈电量、有功和无功电量，方便节能效果统计和作业耗电分析。

2.3 高架“油改电”轮胎吊AFE能量回馈系统改造效果评估

宁波港吉（意宁）码头经营有限公司的50台轮胎吊于2015年11月底完成AFE能量回馈系统改造并投入运行。对其中1台轮胎吊进行数据跟踪分析，AFE能量回馈系统投入使用前后的电压、电流、谐波、功率因数、节能情况分别见表1和表2。

AFE能量回馈系统投入使用前，电网谐波远高于4%；投入使用后，电网谐波被控制在4%以内。AFE能量回馈系统投入使用前，功率因数为0.941；投入使用后，功率因数在0.998左右，非常接近于1。AFE能量回馈系统投入使用后，电能回馈的节能效率为34%左右，节能效果明显。

3 结束语

将AFE能量回馈技术应用于具有较大转动惯量起重设备的变频调速系统中，既能提升系统的制动性能，又能达到节能的目的，并且可以改善电能质量，控制谐波影响，提高设备功率因数。另外， AFE装置能有效替代变频系统的整流单元，直接配合逆变器使用，不仅能达到节能的目的，而且有助于码头公司减少采购成本。由此可见，AFE能量回馈系统在港口传统轮胎吊及其他起重设备的节能减排技术改造方面具有广阔的应用推广前景。

（编辑：曹莉琼 收稿日期：2017-10-30）endprint