高架“油改電”輪胎吊有源前端能量回饋系統應用及推廣

朱琳杰

利用變頻控制技術的集裝箱輪胎式龍門吊（以下簡稱“輪胎吊”）早期由柴油發電機組供電，排量大且能耗高。寧波港吉（意寧）碼頭經營有限公司響應國家節能減排的號召，對傳統用油的輪胎吊實施高架“油改電”改造，以清潔、高效的市電代替柴油發電機組供電，從而大幅降低其能耗。輪胎吊“油改電”并不是碼頭節能減排的終點，研究發現，“油改電”輪胎吊還有進一步節能降耗的潛力可挖。

傳統變頻控制系統下的輪胎吊在下放集裝箱以及大車、小車制動過程中，電動機處于再生發電狀態，勢能轉換的電能無法回饋到變頻器供電電網，只能通過變頻器直流側制動單元中的制動電阻變成熱能消耗掉，以免因直流側母線過壓而損壞電氣元件，從而造成巨大的電能浪費。采用有源前端（active front end，AFE）可控整流技術的能量回饋裝置可以使這部分再生能量返回至電網，進一步降低能耗。寧波港吉（意寧）碼頭經營有限公司經過技術改造將AFE能量回饋系統安裝到高架“油改電”輪胎吊上，節能降耗的效果顯著，具有廣闊的推廣前景。

1 AFE能量回饋系統原理

為使變頻器能在發電狀態下將制動的能量回饋至電網，降低能耗，實現四象限運行，通常有兩種做法。第一種做法是采用普通的能量回饋方式，即給變頻器配1個或多個能量回饋單元，能量回饋單元并聯，可將能量回饋至電網，其工作原理見圖1。能量回饋單元沒有數字信號處理器，所有控制功能由硬件完成，逆變功率部分采用絕緣柵雙極型晶體管，實際應用時的電氣連接見圖2。

能量回饋單元將電機制動時產生并輸入到變頻器母線的能量逆變生成與電網同步、同相位的交流正弦波，將電能回饋至電網，具體特點如下：（1）能量只能從變頻器直流母線流向電網，單向不可逆；（2）所有控制功能由硬件完成，無數字信號處理器，功能單一，除回饋能量外無其他功能；（3）與變頻器主回路分開，除將變頻器母線多余能量回饋至電網外，對變頻器運行無其他優化功能；（4）能量回饋單元可并聯，各自獨立工作（見圖3）。

第二種做法是給變頻器配置AFE。主電路采用絕緣柵雙極型晶體管全控式開關元件，AFE處理器為高速數字信號處理器芯片，系統的“交-直”環節與“直-交”環節的結構完全相同；采用正弦脈寬調制模式，可控制交流電流的大小和相位，并通過前端的濾波、儲能環節使交流輸入電流接近正弦波；當電機側的制動能量通過逆變器返回而使直流母線電壓升高時，可以使交流輸入電流的相位與電源電壓相位相反，實現再生發電運行，并將再生功率回饋到交流電網，使系統處于有源逆變工作狀態。AFE既可作為整流器工作，也可作為逆變器工作，實現電源側的四象限運行，從而實現可控整流及能量回饋。變頻器AFE能量回饋系統電氣原理如圖4所示。

變頻器AFE能量回饋系統工作原理如下。

（1）不控整流 三相電源R，S，T經無源濾波電路、PFC電感器、上電緩沖電路，經反向并聯二極管（絕緣柵雙極型晶體管）D1～D6整流后對母線電容器進行充電，此時絕緣柵雙極型晶體管不工作，只充當普通整流橋的角色。

（2）可控整流 三相電源R，S，T經無源濾波電路、PFC電感器、上電緩沖電路，通過控制絕緣柵雙極型晶體管 Q1～Q6的通斷，配合二極管D1～D6，可實現對PFC電感器的充放能及母線電容的充放電。

（3）逆變 通過控制絕緣柵雙極型晶體管 Q1～Q6按一定規律通斷，可將直流母線電壓逆變成相位和幅值與電源電壓相同的交流電并回饋至電網，即常說的能量回饋。逆變的原理與驅動電機類似，只是絕緣柵雙極型晶體管T的開關方式略有不同。逆變時，因最終能量送回電網，PFC電感器中的能量同樣也送回電網。PFC電感器起濾波的作用，可有效降低諧波。

對比兩種能量回饋方式，AFE能量回饋系統具有以下優點。

（1）AFE整流和逆變器前端的電壓與電流波形均已濾波成正弦波形，電壓與電流正弦波形間的相位差角可以在一定范圍內按需要設定；因此，功率因數能以1為中點而正負可調，甚至可以對供電系統進行有源的功率因數補償。

（2）因可控整流，回路中又有無源濾波電路和PFC電感器，諧波可降至很低，通常小于5%。

（3）直流母線電壓可在一定范圍內設定，設定值即為穩壓值；因此，一定范圍內的電網電壓波動，或者瞬間電壓跌落或過電壓，均不會影響母線電壓，特別適合在供電電壓長期偏低的情況下使用，能提高變頻器的控制性能及可靠性。

（4）采用高速數字信號處理芯片，數字控制的能量回饋可最大限度地將多余能量回饋至電網，節能降耗效果十分明顯。

（5）可自動檢測進線電流、電源電壓和電源頻率等。

（6）過熱、過流、過壓、欠壓、輸入缺相等各種保護功能齊全。

2 高架“油改電”輪胎吊能量回饋系統改造

寧波港吉（意寧）碼頭經營有限公司采用上海海得控制系統股份有限公司（以下簡稱“海得”）的HDM系列AFE能量回饋系統，對50臺高架“油改電”輪胎吊實施技術改造，并完成相關驗證和測試。

2.1 海得AFE能量回饋系統介紹

海得HDM系列AFE能量回饋系統采用矢量控制算法，對有功和無功進行解耦，對模塊電流和直流母線電壓進行雙閉環控制，實現電網與直流母線間能量的雙向流動，與通用變頻器配合可形成四象限變頻控制模式，既可以向變頻器提供高質量的直流電源，又可將制動能量回饋至電網。能量回饋裝置的結構組成與變頻器的輸出逆變部分一樣，在絕緣柵雙極型晶體管組成三相橋式結構上，采用空間矢量脈寬調制技術，控制絕緣柵雙極型晶體管開關狀態的高速切換，并配備高性能濾波器，可使設備的功率因數達0.99以上，大大降低交流輸入端的電流諧波含量，提高電網的電能質量。

另外，海得HDM系列AFE能量回饋系統適用的變頻器品牌廣泛，能與ABB、安川、西門子、富士、施耐德等變頻器配用，且在具體使用時既可以與逆變器配用，也可以與變頻器配用，并且無須改動。endprint

2.2 高架“油改電”輪胎吊能量回饋系統改造方案

2.2.1 高架“油改電”輪胎吊配電網絡設計

寧波港吉（意寧）碼頭經營有限公司“油改電”輪胎吊采用高架滑觸線供電方式，其配電網絡如圖5所示。實施AFE能量回饋系統改造后，單臺輪胎吊的用電設備主要包括可控整流及能量回饋裝置（與變頻器連接）、空調和照明等其他用電設備。當輪胎吊提升重物時，可控整流及能量回饋裝置從電網吸收電能；當輪胎吊下放重物時，能量回饋裝置向本臺輪胎吊上的空調、照明和控制回路等用電設備提供電能，同時向電網回饋電能。

高架“油改電”輪胎吊配電網絡系統上單條滑觸線所運行的輪胎吊在某一時刻同時提升或下放集裝箱的概率很低，也就是說，通常情況下，在某一時刻，有數臺輪胎吊在提升集裝箱，有數臺輪胎吊在下放集裝箱。實施AFE能量回饋系統改造后，下放集裝箱的輪胎吊回饋的電能可以被提升集裝箱的輪胎吊利用。當然，單條滑觸線內回饋的電能不可能被完全利用，此部分能量通過變壓器由下面2個渠道被利用掉：向其他滑觸線的輪胎吊供電；向高架“油改電”輪胎吊配電網絡上的其他用電設備供電。

2.2.2 單臺輪胎吊能量回饋系統改造設計方案

改造前，輪胎吊的主要電氣設備包括不控整流單元、起升機構、大車機構、小車機構和制動單元。網側采用不控整流單元，起升、大車、小車變頻器直接掛在直流母線上，采用制動電阻器能耗制動。安裝海得HDM系列AFE能量回饋系統的輪胎吊電氣系統如圖6所示。

圖6 安裝海得HDM系列AFE能量回饋系統的

輪胎吊電氣系統

可控整流及能量回饋裝置直流輸出端直接接至變頻器的直流母排，使用市電網絡。當能量回饋裝置投入使用時，制動斬波器不會觸發，制動電阻器不介入工作；當能量回饋裝置不投入使用時，變頻器本身的二極管供電回路工作，當集裝箱下放變頻器直流母線電壓升高到制動斬波器觸發電壓時，制動斬波器導通，制動電阻器工作。

當輪胎吊轉場使用柴油發電機組供電時，可通過司機室操作臺上的選擇開關，關閉可控整流及能量回饋裝置，此時能量回饋裝置不投入工作，設備與柴油發電系統聯鎖?？煽卣骷澳芰炕仞佈b置與原來的整流裝置進線接觸器采用電氣聯鎖保護，可通過聯鎖接觸器來選擇輪胎吊使用能量回饋裝置或者原來的整流二極管能耗電阻器裝置。

另外，在輪胎吊上安裝四象限電能計量表，用以記錄輪胎吊的耗電量、回饋電量、有功和無功電量，方便節能效果統計和作業耗電分析。

2.3 高架“油改電”輪胎吊AFE能量回饋系統改造效果評估

寧波港吉（意寧）碼頭經營有限公司的50臺輪胎吊于2015年11月底完成AFE能量回饋系統改造并投入運行。對其中1臺輪胎吊進行數據跟蹤分析，AFE能量回饋系統投入使用前后的電壓、電流、諧波、功率因數、節能情況分別見表1和表2。

AFE能量回饋系統投入使用前，電網諧波遠高于4%；投入使用后，電網諧波被控制在4%以內。AFE能量回饋系統投入使用前，功率因數為0.941；投入使用后，功率因數在0.998左右，非常接近于1。AFE能量回饋系統投入使用后，電能回饋的節能效率為34%左右，節能效果明顯。

3 結束語

將AFE能量回饋技術應用于具有較大轉動慣量起重設備的變頻調速系統中，既能提升系統的制動性能，又能達到節能的目的，并且可以改善電能質量，控制諧波影響，提高設備功率因數。另外， AFE裝置能有效替代變頻系統的整流單元，直接配合逆變器使用，不僅能達到節能的目的，而且有助于碼頭公司減少采購成本。由此可見，AFE能量回饋系統在港口傳統輪胎吊及其他起重設備的節能減排技術改造方面具有廣闊的應用推廣前景。

（編輯：曹莉瓊 收稿日期：2017-10-30）endprint