AFE在RTG上的应用

许奕群

摘要：为提高RTG在生产过程中能量的有效回收，对传统采用电阻耗能制动方式的RTG进行改造，在电源进线侧运用有源整流AFE能量回馈装置，实现将多余的能量无污染的回馈给电网，同时可保证直流母线电压的稳定可控、提高系统功率因素，达到绿色节能的目的。

关键词：RTG;能量回收;整流回馈单元;稳定可控

0  引言

随着越来越突出的能源与环境问题，节能减排已成为国家、企业和人们关注的焦点。作为集装箱港口企业大力推进港口设备的节能改造，在RTG上加装整流回馈装置（AFE），将传统RTG把多余能量采用制动电阻发热消耗方式转变为通过AFE将再生能量最大化回馈到电网，实现设备的节能化，大力响应国家节能减排要求的同时也给企业带来长久的经济效益。

本文对整流回馈技术进行分析，在原有RTG供配电系统上加以改动优化，可以在不影响原系统安全性和可靠性的基础上，进一步提高能量的利用率，节能效果显著，有良好的应用和推广前景。

1  变频器能量回馈技术的研究现状

电力电子技术的发展为电机再生能量回收利用提供了更多的解决方案，能量回馈[1]技术也因此出现了多方面的发展。目前国内外常用的变频器能量回馈制动技术主要有：共用直流母线技术、超级电容储能技术、变频器能量回馈技术。国内外许多知名生产厂家也研制出适用于不同场合的能量回馈产品，如德国西门子研制出ALM、SLM系列变频器，日本安川研制出FSD整流回馈单元，瑞士ABB研制出ISU供电单元，深圳汇川研制出MD050N系列主动式前端AFE单元。

2  能量回馈方式比较

2.1 传统RTG再生电能处理方式

RTG是港口的主要生产设备，其中起升机构是典型的位能性负载，在负载下降时，起升电机处于发电状态，这部分电能通过逆变部分IGBT的续流二极管回到直流母线使母线电压升高，由于传统RTG变频器大多是采用二极管整流，不能实现能量的双向流动，因此采用了制动电阻的能耗制动方式把这部分再生电能转化为热能消耗掉，传统RTG能耗制动原理见图1。采用此种方式，不仅对再生能量造成白白的浪费，而且根據现场经验在雨天潮湿环境下，能耗电阻箱因为未干燥的因素还会造成故障影响设备的稳定运行。

2.2 超级电容储能方式

为解决传统电能损耗的问题，超级电容储能技术应运而生。其原理是：将大容量、高转换效率特性的电容并联在公共直流母线上，由于超级电容的储能能力，当电机工作在发电状态时可以先将电能储存在超级电容里，当电机工作在电动状态时又可将储存的电能反馈至母线上，实现了再生电能有效利用。目前因电容的制造工艺和材料限制、母线电压不可控等因数，超级电容技术未得到广泛应用。

2.3 有源整流回馈电能处理方式

有源整流方式的整流桥由传统的二极管不可控器件替代为可控的 IGBT 桥，提供无功功率的补偿，实现了电机的四象限运行，有源整流技术变频器原理见图2。系统可调节和稳定直流母线电压，这意味着连接的逆变器不受进线电压影响，在容许的线电压波动范围内，不会影响逆变输出的电机电压。而且有源整流模块总是与有源滤波装置一起运行，高效能的谐波抑制使得谐波畸变也非常小，符合电能质量国标标准，是一种节能的绿色环保无污染电力电子装置。

2.4 方案的选择

码头RTG从生产过程中对再生能量利用的方面进行改造，通过方案的综合比较，选用在RTG上安装有源整流AFE能量回馈装置，考虑因数主要有：①码头现有RTG实现油改电后，受电方式改为市电供电，选用电能回馈装置必须保证回馈的电能谐波畸变小，符合回馈电网的国标要求;②码头部分RTG已经改造为电池转场或全电动龙门吊，其中对锂电池充电的关键要素是母线电压[2]需稳定可控，且母线电压[2]要保证和锂电池组电压在一定压差范围内才能高效稳定对其充电，有源整流AFE能量回馈装置能保证恒定的直流母线电压，且母线电压参数可设定，即使对于波动较大（20%振幅）的电源电压，仍可以保持稳定的性能;③对原RTG的改造，只需在原电控系统的基础上加装此套回馈装置，简单易行，具测算单机在一个标准工况下可节省总耗电量的30%以上，改造后不仅投资额少，而且提高了整机的能源利用率，长久的节能收益更加可观。

3  有源整流AFE能量回馈装置的方案分析

3.1 有源整流AFE能量回馈装置改造原理

码头RTG的主流电控系统为西门子或安川系列变频器，具体方案是在原系统公共母线基础上，加装一套有源前端AFE，控制IGBT三相整流桥高速切换，提供恒定可控的直流母线电压，也能将由设备回馈的再生电能及时、高效返回电网，实现电源侧的四象限运行，并通过前端滤波和储能环节使交流输入电流接近正弦波，降低设备在电动和回馈时电压和电流的谐波含量。

3.2 谐波实测数据分析

选用AFE能量回馈系统改造必须保证其回馈的电能谐波率符合国标标准，对改造完成的设备，用电能质量分析仪在系统进线端进行测试和分析。测试条件为在标准工况下，系统的实测谐波数据和电能数据，标准工况流程见图3。

样本中截取一次标准工况下的测试数据进行分析如下：

3.2.1 功率波形

功率波形见图4，这段数据记录了一个标准工况下运行情况，根据功率曲线可以很方便的看出各个阶段的机构运行，如满载上升时，功率约-190kW，表示从电网吸收的功率为190kW，满载下降时，功率约

+140kW，表示向电网释放的功率为140kW。

3.2.2 电压谐波

测试出的标准工况下电压谐波波形见图5，电压谐波THD-f（U）全程控制在3%内，其中THD-f（U）为相对于基波的电压谐波。总电压谐波畸变率和各次谐波电压含有率均满足要求，符合GB/T 14549-1993公用电网谐波中电压总谐波率小于5%的规定。

3.2.3 电流谐波

整流回馈单元额定输出为372A，电流在起升机构匀速上升阶段，出现最大值270A（小于额定电流），此时功率约-190kW，为额定功率的76%。电流的谐波含有率变化较大，当基波电流大时，谐波含量较小，当基波电流小时，谐波含量较高。总谐波电流测试数据见表1，取95%概率值计算三相谐波电流，分别为：A1相11.95/372=3.2%，A2相9.92/372=2.67%，A3相10.09/372=2.71%，符合标准中额定输出电流总谐波率小于5%标准。

总结：经测试计算分析选择此套有源整流AFE能量回馈装置，能满足总谐波率的要求，可以无污染的回馈电网。

3.3 单机节电率测算

RTG改造后，系统所能节约的电能也是考察此套装置是否经济可行的关键因数，改造后通常要求單机节电率要大于30%。

测试方法：在能量回馈装置投入和不投入工况下分别对同一个集装箱重复标准工况10次，通过电能质量分析仪测量整台RTG的用电量和反馈电量。以10次实测数据的平均值为依据计算能量回馈装置投入和不投入节电效果。每次标准工况测量的节电率计算公式如下：

单机节电率测试统计表见表2，经计算得出标准工况下节电率约为38.05%，采用有源整流AFE能量回馈装置后节能效果非常明显。

4  结语

RTG实施有源整流AFE能量回馈改造后，对比AFE投入和不投入时的用电量可达到35%以上的节能效果;通过改造还可提高设备电能的功率因数，相应减少线路中电压的损耗，节约电费，降低生产成本;母线电压能保持恒定且可控制，为传统柴油发动机RTG进行锂电动力改造提供保障;回馈的电能总谐波率满足国标要求，能安全无污染的回馈总电网。对RTG进行有源整流AFE能量回馈技术改造，符合国家节能减排的政策方针，加装简单易行，基本没有改造风险，且投资较小，可于较短时间内收回投资，改造后长期收益大。

参考文献：

[1]鄢鹏程，袁哲，袁楷.基于变频控制的节能技术在垃圾抓斗桥式起重机的应用[J].起重运输机械，2017（9）：149-150.

[2]刘振勇，王天民，樊阳阳.由母线保护开入异常引起母联跳闸事故分析[J].电工技术，2017，10（A）：119-120.