有源整流智能控制核心技術在“油改氣”輪胎吊上的應用

包建春+李約翰

隨著國際原油價格不斷上漲，為降低輪胎吊的作業成本，許多港口對現有輪胎吊實施“油改電”改造。“油改電”輪胎吊與電網相連，變頻器內的絕緣柵雙極型晶體管（Insulated Gate Bipolar Transistor，IGBT）在高速切換時產生的高次諧波會沖擊電網，導致電網的電流諧波增加，對其他設備造成干擾，其影響主要包括：（1）加劇電網諧波污染；（2）使設備功率因數降低；（3）使變頻器直流母線電壓產生波動。為解決上述問題，寧波梅山島國際集裝箱碼頭有限公司（以下簡稱梅山島碼頭）將有源整流智能控制核心技術應用于“油改電”輪胎吊，為系統提供穩定的電壓，并將能量回饋給電網，實現自動檢測諧波和優化補償，從而最大程度地消除諧波，提高功率因數。

1 “油改電”輪胎吊傳統能量回饋技術缺陷

為提高電能利用率，“油改電”輪胎吊采用帶IGBT裝置的能量回饋技術，將輪胎吊負載下降時產生的勢能轉化為電能。不過，這種電能回饋方式存在回饋率低、諧波污染嚴重等問題，會導致電力品質下降，使供用電設備過熱或產生振動和噪聲，并導致絕緣體使用壽命縮短，嚴重時造成電網癱瘓，甚至引發嚴重火災事故，影響碼頭生產作業。

目前，最常用的諧波解決方案是在整流裝置前加裝無源并聯濾波器，提高設備母線電壓的穩定性。該技術的缺點是：（1）為降低整流單元產生的諧波電流對電網的影響，必須在電氣房加裝電抗柜，不僅占用電氣房部分空間，而且增加維修難度；（2）使用多組濾波器以濾除不同頻率的諧波，結構復雜且成本較高；（3）由于系統中通常含有無限種頻率的諧波，難以將諧波全部濾除。相比之下，有源濾波裝置能做到適時補償，而且不增加電網的容性元件，濾波效果較好。

2 主動型電源模塊整流回饋裝置簡介

主動型電源模塊（Active Line Module，ALM）整流回饋裝置是SINAMICS系統的重要組成部分。SINAMICS 是西門子公司研發的新一代驅動產品，其將逐步取代現有的MasterDrives及SIMODRIVE 系列的驅動系統。SINAMICS 系列中的SINAMICS S120 是集電壓頻率控制、矢量控制、伺服控制為一體的多軸驅動系統，采用模塊化設計，各模塊（包括控制單元模塊、整流回饋模塊、電機模塊、傳感器模塊和電機編碼器等）間通過高速驅動通信接口DRIVE-CLiQ相互連接。電子協調式伺服驅動有利于減少使用整流裝置和開關柜，從而降低碼頭生產成本，縮短設備調試和維護時間。

ALM整流回饋裝置主要由有源整流模塊和有源濾波模塊構成（見圖1），采用有源整流智能控制及優化補償核心技術，能夠在整流供電的同時消除諧波對電網的影響。

（1）有源整流模塊 SINAMICS S120的有源整流模塊是用于集中整流并為中間回路提供直流電源的裝置，其由IGBT組成，在整流供電的同時將能量反饋給電網。通過智能化控制，有源整流模塊產生可控制的直流電壓，其在電源電壓允許的波動范圍內保持穩定，從而使供電系統更加穩定。有源整流模塊在電源側產生的實際電流效果接近正弦波；同時，輪胎吊起升機構下降或小車、大車機構制動產生的勢能可通過該模塊轉化成電能回饋給電網，供輪胎吊其他用電設備或同一電網內其他輪胎吊使用。

（2）有源濾波模塊 SINAMICS S120的有源濾波模塊是用于動態抑制諧波和無功補償的新型電力電子裝置。該模塊實時監控諧波，根據諧波大小和頻率的變化情況不斷進行優化補償，產生與系統諧波同頻率、同幅度但相位相反的諧波電流，與系統中的諧波電流相抵消，從而達到消除諧波的目的。

總之，ALM整流回饋裝置不但能夠將多余的能量反饋給電網，還能起到有效的濾波作用，無須為系統另配濾波裝置。該裝置采用模塊化設計，體積小巧，整流運行所需組件都集成在有源整流單元中，易于操作，維修方便。

3 有源整流智能控制核心技術在“油改電”輪胎吊上的應用

港口大型起重設備大多采用多電機傳動系統，目前公共直流母線系統是解決多電機傳動技術的最優方案，能很好地解決多電機間電動狀態和發電狀態之間的矛盾，其原理為：在同一系統中，不同裝置同一時刻可處于不同工作狀態。ALM整流回饋裝置的智能優化補償技術不僅能保證公共直流母線電壓的穩定供給，又能將多余的能量回饋給電網，同時消除諧波對電網的影響。

結合ALM整流回饋裝置有源整流智能控制技術的優點，本著創新的理念，梅山島碼頭相關項目評估小組將該技術大規模應用于“油改電”輪胎吊等大型港口設備。通過計算、分析輪胎吊參數，項目組選擇西門子公司生產的6SL3330-7TE35-0AA0和6SL3300-7TE35-0AA0裝置，其額定功率，額定電流，符合輪胎吊的工況要求。

ALM整流回饋裝置有源整流智能控制技術為西門子公司最新的核心技術，在國際上處于領先地位，我國尚無該項技術大規模應用的先例。從梅山島碼頭的應用情況來看，采用有源整流智能控制技術的ALM整流回饋裝置運行可靠，電能回饋率較高（見表1），濾波效果明顯，使諧波電壓、電流及功率因數都得到了很好地控制。

采用有源整流智能控制技術后，以“油改電”輪胎吊起升重載為例：諧波電壓最大值約，最小值約；電流最大值約，最小值約；有功功率在整個測試期內的波動范圍為 150～ ；無功功率（感性）的波動范圍為19～；功率因數的波動范圍為0.60～0.95。從測試波形可見，諧波電壓、諧波電流以3次、5次、7次、11次、13次為主，電壓總畸變率為1%，電流總畸變率為2%。專業檢測機構對梅山島碼頭“油改電”輪胎吊不同工況下各機構的測試數據見表2。

由以上測試波形和數據可以得到以下結論：（1）在輪胎吊正常運行過程中，系統平均功率因數較高（0.95以上），低功率因數運行時間較短；（2）側諧波電壓、諧波電流以3次、5次、7次、11次、13次為主，折算到側，諧波電壓、諧波電流處于正常范圍。

4 結束語

隨著將有源整流智能控制核心技術大規模推廣應用于“油改電”輪胎吊，梅山島碼頭成為我國首家使用該項高端節能技術的碼頭公司。有源整流智能控制核心技術在碼頭大型設備上的應用是碼頭在節能減排、諧波治理方面的創新舉措，梅山島碼頭的經驗可為其他碼頭在這方面的探索提供借鑒和參考。

（編輯：曹莉瓊 收稿日期：2014-08-28）

隨著國際原油價格不斷上漲，為降低輪胎吊的作業成本，許多港口對現有輪胎吊實施“油改電”改造。“油改電”輪胎吊與電網相連，變頻器內的絕緣柵雙極型晶體管（Insulated Gate Bipolar Transistor，IGBT）在高速切換時產生的高次諧波會沖擊電網，導致電網的電流諧波增加，對其他設備造成干擾，其影響主要包括：（1）加劇電網諧波污染；（2）使設備功率因數降低；（3）使變頻器直流母線電壓產生波動。為解決上述問題，寧波梅山島國際集裝箱碼頭有限公司（以下簡稱梅山島碼頭）將有源整流智能控制核心技術應用于“油改電”輪胎吊，為系統提供穩定的電壓，并將能量回饋給電網，實現自動檢測諧波和優化補償，從而最大程度地消除諧波，提高功率因數。

1 “油改電”輪胎吊傳統能量回饋技術缺陷

為提高電能利用率，“油改電”輪胎吊采用帶IGBT裝置的能量回饋技術，將輪胎吊負載下降時產生的勢能轉化為電能。不過，這種電能回饋方式存在回饋率低、諧波污染嚴重等問題，會導致電力品質下降，使供用電設備過熱或產生振動和噪聲，并導致絕緣體使用壽命縮短，嚴重時造成電網癱瘓，甚至引發嚴重火災事故，影響碼頭生產作業。

目前，最常用的諧波解決方案是在整流裝置前加裝無源并聯濾波器，提高設備母線電壓的穩定性。該技術的缺點是：（1）為降低整流單元產生的諧波電流對電網的影響，必須在電氣房加裝電抗柜，不僅占用電氣房部分空間，而且增加維修難度；（2）使用多組濾波器以濾除不同頻率的諧波，結構復雜且成本較高；（3）由于系統中通常含有無限種頻率的諧波，難以將諧波全部濾除。相比之下，有源濾波裝置能做到適時補償，而且不增加電網的容性元件，濾波效果較好。

2 主動型電源模塊整流回饋裝置簡介

主動型電源模塊（Active Line Module，ALM）整流回饋裝置是SINAMICS系統的重要組成部分。SINAMICS 是西門子公司研發的新一代驅動產品，其將逐步取代現有的MasterDrives及SIMODRIVE 系列的驅動系統。SINAMICS 系列中的SINAMICS S120 是集電壓頻率控制、矢量控制、伺服控制為一體的多軸驅動系統，采用模塊化設計，各模塊（包括控制單元模塊、整流回饋模塊、電機模塊、傳感器模塊和電機編碼器等）間通過高速驅動通信接口DRIVE-CLiQ相互連接。電子協調式伺服驅動有利于減少使用整流裝置和開關柜，從而降低碼頭生產成本，縮短設備調試和維護時間。

ALM整流回饋裝置主要由有源整流模塊和有源濾波模塊構成（見圖1），采用有源整流智能控制及優化補償核心技術，能夠在整流供電的同時消除諧波對電網的影響。

（1）有源整流模塊 SINAMICS S120的有源整流模塊是用于集中整流并為中間回路提供直流電源的裝置，其由IGBT組成，在整流供電的同時將能量反饋給電網。通過智能化控制，有源整流模塊產生可控制的直流電壓，其在電源電壓允許的波動范圍內保持穩定，從而使供電系統更加穩定。有源整流模塊在電源側產生的實際電流效果接近正弦波；同時，輪胎吊起升機構下降或小車、大車機構制動產生的勢能可通過該模塊轉化成電能回饋給電網，供輪胎吊其他用電設備或同一電網內其他輪胎吊使用。

（2）有源濾波模塊 SINAMICS S120的有源濾波模塊是用于動態抑制諧波和無功補償的新型電力電子裝置。該模塊實時監控諧波，根據諧波大小和頻率的變化情況不斷進行優化補償，產生與系統諧波同頻率、同幅度但相位相反的諧波電流，與系統中的諧波電流相抵消，從而達到消除諧波的目的。

總之，ALM整流回饋裝置不但能夠將多余的能量反饋給電網，還能起到有效的濾波作用，無須為系統另配濾波裝置。該裝置采用模塊化設計，體積小巧，整流運行所需組件都集成在有源整流單元中，易于操作，維修方便。

3 有源整流智能控制核心技術在“油改電”輪胎吊上的應用

港口大型起重設備大多采用多電機傳動系統，目前公共直流母線系統是解決多電機傳動技術的最優方案，能很好地解決多電機間電動狀態和發電狀態之間的矛盾，其原理為：在同一系統中，不同裝置同一時刻可處于不同工作狀態。ALM整流回饋裝置的智能優化補償技術不僅能保證公共直流母線電壓的穩定供給，又能將多余的能量回饋給電網，同時消除諧波對電網的影響。

結合ALM整流回饋裝置有源整流智能控制技術的優點，本著創新的理念，梅山島碼頭相關項目評估小組將該技術大規模應用于“油改電”輪胎吊等大型港口設備。通過計算、分析輪胎吊參數，項目組選擇西門子公司生產的6SL3330-7TE35-0AA0和6SL3300-7TE35-0AA0裝置，其額定功率，額定電流，符合輪胎吊的工況要求。

ALM整流回饋裝置有源整流智能控制技術為西門子公司最新的核心技術，在國際上處于領先地位，我國尚無該項技術大規模應用的先例。從梅山島碼頭的應用情況來看，采用有源整流智能控制技術的ALM整流回饋裝置運行可靠，電能回饋率較高（見表1），濾波效果明顯，使諧波電壓、電流及功率因數都得到了很好地控制。

采用有源整流智能控制技術后，以“油改電”輪胎吊起升重載為例：諧波電壓最大值約，最小值約；電流最大值約，最小值約；有功功率在整個測試期內的波動范圍為 150～ ；無功功率（感性）的波動范圍為19～；功率因數的波動范圍為0.60～0.95。從測試波形可見，諧波電壓、諧波電流以3次、5次、7次、11次、13次為主，電壓總畸變率為1%，電流總畸變率為2%。專業檢測機構對梅山島碼頭“油改電”輪胎吊不同工況下各機構的測試數據見表2。

由以上測試波形和數據可以得到以下結論：（1）在輪胎吊正常運行過程中，系統平均功率因數較高（0.95以上），低功率因數運行時間較短；（2）側諧波電壓、諧波電流以3次、5次、7次、11次、13次為主，折算到側，諧波電壓、諧波電流處于正常范圍。

4 結束語

隨著將有源整流智能控制核心技術大規模推廣應用于“油改電”輪胎吊，梅山島碼頭成為我國首家使用該項高端節能技術的碼頭公司。有源整流智能控制核心技術在碼頭大型設備上的應用是碼頭在節能減排、諧波治理方面的創新舉措，梅山島碼頭的經驗可為其他碼頭在這方面的探索提供借鑒和參考。

（編輯：曹莉瓊 收稿日期：2014-08-28）

隨著國際原油價格不斷上漲，為降低輪胎吊的作業成本，許多港口對現有輪胎吊實施“油改電”改造。“油改電”輪胎吊與電網相連，變頻器內的絕緣柵雙極型晶體管（Insulated Gate Bipolar Transistor，IGBT）在高速切換時產生的高次諧波會沖擊電網，導致電網的電流諧波增加，對其他設備造成干擾，其影響主要包括：（1）加劇電網諧波污染；（2）使設備功率因數降低；（3）使變頻器直流母線電壓產生波動。為解決上述問題，寧波梅山島國際集裝箱碼頭有限公司（以下簡稱梅山島碼頭）將有源整流智能控制核心技術應用于“油改電”輪胎吊，為系統提供穩定的電壓，并將能量回饋給電網，實現自動檢測諧波和優化補償，從而最大程度地消除諧波，提高功率因數。

1 “油改電”輪胎吊傳統能量回饋技術缺陷

為提高電能利用率，“油改電”輪胎吊采用帶IGBT裝置的能量回饋技術，將輪胎吊負載下降時產生的勢能轉化為電能。不過，這種電能回饋方式存在回饋率低、諧波污染嚴重等問題，會導致電力品質下降，使供用電設備過熱或產生振動和噪聲，并導致絕緣體使用壽命縮短，嚴重時造成電網癱瘓，甚至引發嚴重火災事故，影響碼頭生產作業。

目前，最常用的諧波解決方案是在整流裝置前加裝無源并聯濾波器，提高設備母線電壓的穩定性。該技術的缺點是：（1）為降低整流單元產生的諧波電流對電網的影響，必須在電氣房加裝電抗柜，不僅占用電氣房部分空間，而且增加維修難度；（2）使用多組濾波器以濾除不同頻率的諧波，結構復雜且成本較高；（3）由于系統中通常含有無限種頻率的諧波，難以將諧波全部濾除。相比之下，有源濾波裝置能做到適時補償，而且不增加電網的容性元件，濾波效果較好。

2 主動型電源模塊整流回饋裝置簡介

主動型電源模塊（Active Line Module，ALM）整流回饋裝置是SINAMICS系統的重要組成部分。SINAMICS 是西門子公司研發的新一代驅動產品，其將逐步取代現有的MasterDrives及SIMODRIVE 系列的驅動系統。SINAMICS 系列中的SINAMICS S120 是集電壓頻率控制、矢量控制、伺服控制為一體的多軸驅動系統，采用模塊化設計，各模塊（包括控制單元模塊、整流回饋模塊、電機模塊、傳感器模塊和電機編碼器等）間通過高速驅動通信接口DRIVE-CLiQ相互連接。電子協調式伺服驅動有利于減少使用整流裝置和開關柜，從而降低碼頭生產成本，縮短設備調試和維護時間。

ALM整流回饋裝置主要由有源整流模塊和有源濾波模塊構成（見圖1），采用有源整流智能控制及優化補償核心技術，能夠在整流供電的同時消除諧波對電網的影響。

（1）有源整流模塊 SINAMICS S120的有源整流模塊是用于集中整流并為中間回路提供直流電源的裝置，其由IGBT組成，在整流供電的同時將能量反饋給電網。通過智能化控制，有源整流模塊產生可控制的直流電壓，其在電源電壓允許的波動范圍內保持穩定，從而使供電系統更加穩定。有源整流模塊在電源側產生的實際電流效果接近正弦波；同時，輪胎吊起升機構下降或小車、大車機構制動產生的勢能可通過該模塊轉化成電能回饋給電網，供輪胎吊其他用電設備或同一電網內其他輪胎吊使用。

（2）有源濾波模塊 SINAMICS S120的有源濾波模塊是用于動態抑制諧波和無功補償的新型電力電子裝置。該模塊實時監控諧波，根據諧波大小和頻率的變化情況不斷進行優化補償，產生與系統諧波同頻率、同幅度但相位相反的諧波電流，與系統中的諧波電流相抵消，從而達到消除諧波的目的。

總之，ALM整流回饋裝置不但能夠將多余的能量反饋給電網，還能起到有效的濾波作用，無須為系統另配濾波裝置。該裝置采用模塊化設計，體積小巧，整流運行所需組件都集成在有源整流單元中，易于操作，維修方便。

3 有源整流智能控制核心技術在“油改電”輪胎吊上的應用

港口大型起重設備大多采用多電機傳動系統，目前公共直流母線系統是解決多電機傳動技術的最優方案，能很好地解決多電機間電動狀態和發電狀態之間的矛盾，其原理為：在同一系統中，不同裝置同一時刻可處于不同工作狀態。ALM整流回饋裝置的智能優化補償技術不僅能保證公共直流母線電壓的穩定供給，又能將多余的能量回饋給電網，同時消除諧波對電網的影響。

結合ALM整流回饋裝置有源整流智能控制技術的優點，本著創新的理念，梅山島碼頭相關項目評估小組將該技術大規模應用于“油改電”輪胎吊等大型港口設備。通過計算、分析輪胎吊參數，項目組選擇西門子公司生產的6SL3330-7TE35-0AA0和6SL3300-7TE35-0AA0裝置，其額定功率，額定電流，符合輪胎吊的工況要求。

ALM整流回饋裝置有源整流智能控制技術為西門子公司最新的核心技術，在國際上處于領先地位，我國尚無該項技術大規模應用的先例。從梅山島碼頭的應用情況來看，采用有源整流智能控制技術的ALM整流回饋裝置運行可靠，電能回饋率較高（見表1），濾波效果明顯，使諧波電壓、電流及功率因數都得到了很好地控制。

采用有源整流智能控制技術后，以“油改電”輪胎吊起升重載為例：諧波電壓最大值約，最小值約；電流最大值約，最小值約；有功功率在整個測試期內的波動范圍為 150～ ；無功功率（感性）的波動范圍為19～；功率因數的波動范圍為0.60～0.95。從測試波形可見，諧波電壓、諧波電流以3次、5次、7次、11次、13次為主，電壓總畸變率為1%，電流總畸變率為2%。專業檢測機構對梅山島碼頭“油改電”輪胎吊不同工況下各機構的測試數據見表2。

由以上測試波形和數據可以得到以下結論：（1）在輪胎吊正常運行過程中，系統平均功率因數較高（0.95以上），低功率因數運行時間較短；（2）側諧波電壓、諧波電流以3次、5次、7次、11次、13次為主，折算到側，諧波電壓、諧波電流處于正常范圍。

4 結束語

隨著將有源整流智能控制核心技術大規模推廣應用于“油改電”輪胎吊，梅山島碼頭成為我國首家使用該項高端節能技術的碼頭公司。有源整流智能控制核心技術在碼頭大型設備上的應用是碼頭在節能減排、諧波治理方面的創新舉措，梅山島碼頭的經驗可為其他碼頭在這方面的探索提供借鑒和參考。

（編輯：曹莉瓊 收稿日期：2014-08-28）