轮胎吊超级电容能量回收系统应用

陆玮　肖毅　张辉　吴世杰　徐旭丽

港口是我国对外开放的重要窗口和国际国内经济双循环的重要环节，推进港口设备节能减排、打造绿色港口既是国家重大发展战略的要求，也是港口企业提升自身经济效益的需要。轮胎式集装箱龙门起重机（以下简称“轮胎吊”）是港口主要的装卸设备和能耗设备。随着港口作业量的不断提升，港口能耗越来越大，如何通过新技术、新材料来降低轮胎吊等作业设备能耗，成为港口企业重要的研究课题。宁波舟山港穿山港区加强与浙江大学能源工程学院合作，从更深层次、更广范围，以更高要求来建设绿色港口。双方通过大量的调研和可行性研究，依托浙江大学在高功率超级电容储能装备领域的技术储备，定制化研发面向港口轮胎吊的百千瓦级高功率超级电容能量管理装备，在保持轮胎吊低能耗的同时，提高电网质量，降低系统运营成本。本文以宁波舟山港穿山港区为例，介绍轮胎吊超级电容能量回收系统应用情况，以期为港口节能减排提供借鉴。

1 轮胎吊超级电容能量回收系统应用的必要性

与柴油发电机组供电轮胎吊相比，“油改电”轮胎吊在节能方面已取得显著进步;但在集装箱下放以及大车和小车减速时，电机因负载的惯性作而处于发电状态，而此时势能转化成的电能无法回馈至电网，只能通过直流侧的制动单元转化成热能，有违节能的初衷。轮胎吊的工作负载和功率因数是不断变化的。功率因数低，说明电路用于交变磁场转换的无功功率大，从而导致设备利用率下降，电路供电损失增大。

轮胎吊直流变频供电模块大多采用6脉冲不控整流单元。当轮胎吊提升重物时，电网谐波电流较大，总畸变率达30%以上，电网电压谐波总畸变率达10%以上，严重污染电网;当多台轮胎吊同时提升重物时，相当于多个谐波同时向电网输出谐波电流。依据GB/T 14549―1993《电能质量 公用电网谐波》标准，谐波电流叠加会产生更大的谐波污染。为了减少轮胎吊作业对电网造成的谐波污染，有必要研发并应用轮胎吊超级电容能量回收系统。

2 轮胎吊超级电容能量回收系统工作原理

2.1 超级电容能量回收原理

超级电容能量管理装备并联在轮胎吊变频器直流母线上，通过整流器与原系统实施能量控制，利用超级电容高功率密度特点，回收轮胎吊起升机构下降制动时产生的能量，用于补充起升机构上升时所需能量。超级电容势能回收电气原理见图1。

当轮胎吊起升机构下降时，电机将势能转化为电能回馈至直流母线;整流器检测到直流母线电压上升后，开始为超级电容充电;当直流母线电压恢复正常值时，停止为超级电容充电。当轮胎吊起升机构上升时，整流器检测到直流母线电压下降后，控制超级电容放电，将电容里储存的电能补偿提供给起升机构做功。超级电容势能回收系统具有独立的控制保护系统，可以自由切换充放电，不会影响轮胎吊正常作业。

2.2 超级电容储能单元组成及选型

超级电容储能单元由超级电容模组、智能管理系统、接触器和熔断器等构成，可实现超级电容实时监控、报警、实时数据传输、数据存储等功能。按照超级电容储能满载、完全回收轮胎吊起升机构最大起升高度下的势能来计算，最大可回收能量约为1.56 kW h，最大回收功率为140.59 kW。超级电容模组电容约为55.7 F，其充放電最大电压为540 V，最小电压为300 V。按照超级电容模组总电压、单个电容模组电压48 V计算，超级电容模组串联个数约为12个，超级电容模组并联个数约为4个。由此确定超级电容储能单元选型为576V-55F（见图2），其由48个48V-165F模组组成，装有直流接触器和快速熔断器硬件保护装置，可与智能管理系统通信，并安装触摸屏以便于本地查询和显示。超级电容智能管理系统由储能系统监控单元、模组电压温度监测和智能内容管理软件等构成，能够实现对超级电容储能单元各模组监测和管理以及异常状态报警和数据存储等功能。

3 轮胎吊超级电容能量回收系统应用

采用Fluke NORMA 6004+便携式高带宽精密功率分析仪对轮胎吊特定工况进行测试和分析，测试项目包括：（1）变频器进线侧功率;（2）超级电容器侧功率;（3）整流器高压侧功率;（4）变频器进线侧电压。测试轮胎吊作业集装箱质量为，起升高度为15.2 m，测试工况如下：吊具空载下降→吊具带载上升至上限位→吊具带载下降至地面→吊具带载上升至上限位→吊具带载下降至地面→吊具空载上升。

为装有超级电容能量回收系统的轮胎吊加装分布式能量管理系统。改造后轮胎吊变频器进线侧有功功率由原来的297 kW降为86 kW，降幅达70%以上，实现有功功率补偿211 kW，效果显著（见图3）。改造后轮胎吊超级电容器侧功率和能量测试结果如图4所示：轮胎吊带载下降至地面的平均回收功率为182 kW，平均回收能量为1.54 kWh;轮胎吊1个工作周期（吊具空载下降→吊具带载上升→吊具带载下降→吊具空载上升）可回收能量为2.09 kW·h。

为了测得分布式能量管理系统的节能效率，控制超级电容电压由330 V增至536 V，随后放电至，测试整流器高压侧的充放电功率和电容电压（见图5），计算得到系统节能效率达 93.4%。改造前变频器进线侧电压工作范围为238～269 V，改造后为255～269 V（见图6）。在系统有功功率补偿作用下，供电电压偏差由 10.4%～1.3%改善为 4.0%～ 1.3%。

从轮胎吊超级电容能量回收系统实际应用情况可见：（1）系统可实现211 kW有功功率补偿，对市电的有功功率需求降幅超70%;（2）轮胎吊1个工作周期可回收2.09 kW h能量，节能效率达93.4%;（3）进线侧电压偏差为 4.0%～1.3%，较改造前有明显改善。

4 轮胎吊超级电容能量回收系统应用效益

4.1 能源成本

经实测，应用超级电容能量回收系统的轮胎吊1个工作周期（包括吊具空载下降和带38 t重箱下降15.2 m）可回收利用能量为1.895 kW h。按照吊具质量9.3 t、平均起升集装箱质量11 t、平均起升高度8.5m的工况计算，吊具1个工作周期可回收利用能量0.61（kW·h）/TEU。按照每台轮胎吊年均处理11万TEU（每个集装箱要经进堆场和出堆场2次作业）计算，全年可减少用电量13.42万kW·h;按码头电价0.8元/kW·h计算，全年每台轮胎吊可节省电费10.736万元。若穿山港区158台轮胎吊全部应用超级电容能量回收系统，全年可节约电力成本1696.288万元。

4.2 损耗费用

按输电环节（包括变压器、线路、开关、滑触线取电装置等）整体损耗96%、单套超级电容能量回收系统每年减少回馈13.4万kW·h电量至电网、电价0.8元/（kW·h）计算，与传统回馈电量至电网的轮胎吊相比，应用超级电容能量回收系统的轮胎吊全年可减少损耗费用0.428 8万元，穿山港区158台轮胎吊全年可减少损耗费用67.750 4万元。

4.3 减排效益

按燃煤火电机组平均煤耗300 g/（kW·h）、1 t标准煤排放2.6 t二氧化碳、全年单套超级电容能量回收系统可节省13.4万kW·h电能计算，全年每台轮胎吊可减少二氧化碳排放量104.52 t。若穿山港区158台轮胎吊全部安装应用超级电容能量回收系统，全年可减少二氧化碳排放量16 514.16 t。

4.4 社会效益

轮胎吊超级电容能量回收系统的应用在港口节能减排、发展循环经济、打造绿色港口等方面具有积极意义：（1）通过对冲击性负荷以及供电系统故障导致的短时电压波动实施补偿，降低港口配电网对峰值功率的需求;（2）通过定制化研发面向港口轮胎吊的百千瓦级高功率石墨烯超级电容能量管理装备，大大提高系统利用率和经济效益（降低系统设备成本15%～20%）;（3）形成相关知识产权，为后续能量回收系统规模化生产和应用推广起到示范效应。

5 结束语

港口是我国对外开放的窗口和现代物流供应链中的重要环节，推进港口节能减排、发展循环经济、打造绿色港口既符合国家重大战略发展要求，也是港口实现向现代交通业转型和提高自身经济效益的需要。轮胎吊超级电容能量回收系统的应用在回收轮胎吊起升机构下降制动时产生的再生能量以及补充起升机构上升时所需能量方面发挥重要作用，节能效果显著，有助于推进港口节能减排，发展循环经济，打造绿色港口。

（编辑：曹莉琼 收稿日期：2021-08-13）