輪胎吊超級電容能量回收系統(tǒng)應用

陸瑋　肖毅　張輝　吳世杰　徐旭麗

港口是我國對外開放的重要窗口和國際國內經(jīng)濟雙循環(huán)的重要環(huán)節(jié)，推進港口設備節(jié)能減排、打造綠色港口既是國家重大發(fā)展戰(zhàn)略的要求，也是港口企業(yè)提升自身經(jīng)濟效益的需要。輪胎式集裝箱龍門起重機（以下簡稱“輪胎吊”）是港口主要的裝卸設備和能耗設備。隨著港口作業(yè)量的不斷提升，港口能耗越來越大，如何通過新技術、新材料來降低輪胎吊等作業(yè)設備能耗，成為港口企業(yè)重要的研究課題。寧波舟山港穿山港區(qū)加強與浙江大學能源工程學院合作，從更深層次、更廣范圍，以更高要求來建設綠色港口。雙方通過大量的調研和可行性研究，依托浙江大學在高功率超級電容儲能裝備領域的技術儲備，定制化研發(fā)面向港口輪胎吊的百千瓦級高功率超級電容能量管理裝備，在保持輪胎吊低能耗的同時，提高電網(wǎng)質量，降低系統(tǒng)運營成本。本文以寧波舟山港穿山港區(qū)為例，介紹輪胎吊超級電容能量回收系統(tǒng)應用情況，以期為港口節(jié)能減排提供借鑒。

1 輪胎吊超級電容能量回收系統(tǒng)應用的必要性

與柴油發(fā)電機組供電輪胎吊相比，“油改電”輪胎吊在節(jié)能方面已取得顯著進步;但在集裝箱下放以及大車和小車減速時，電機因負載的慣性作而處于發(fā)電狀態(tài)，而此時勢能轉化成的電能無法回饋至電網(wǎng)，只能通過直流側的制動單元轉化成熱能，有違節(jié)能的初衷。輪胎吊的工作負載和功率因數(shù)是不斷變化的。功率因數(shù)低，說明電路用于交變磁場轉換的無功功率大，從而導致設備利用率下降，電路供電損失增大。

輪胎吊直流變頻供電模塊大多采用6脈沖不控整流單元。當輪胎吊提升重物時，電網(wǎng)諧波電流較大，總畸變率達30%以上，電網(wǎng)電壓諧波總畸變率達10%以上，嚴重污染電網(wǎng);當多臺輪胎吊同時提升重物時，相當于多個諧波同時向電網(wǎng)輸出諧波電流。依據(jù)GB/T 14549―1993《電能質量 公用電網(wǎng)諧波》標準，諧波電流疊加會產(chǎn)生更大的諧波污染。為了減少輪胎吊作業(yè)對電網(wǎng)造成的諧波污染，有必要研發(fā)并應用輪胎吊超級電容能量回收系統(tǒng)。

2 輪胎吊超級電容能量回收系統(tǒng)工作原理

2.1 超級電容能量回收原理

超級電容能量管理裝備并聯(lián)在輪胎吊變頻器直流母線上，通過整流器與原系統(tǒng)實施能量控制，利用超級電容高功率密度特點，回收輪胎吊起升機構下降制動時產(chǎn)生的能量，用于補充起升機構上升時所需能量。超級電容勢能回收電氣原理見圖1。

當輪胎吊起升機構下降時，電機將勢能轉化為電能回饋至直流母線;整流器檢測到直流母線電壓上升后，開始為超級電容充電;當直流母線電壓恢復正常值時，停止為超級電容充電。當輪胎吊起升機構上升時，整流器檢測到直流母線電壓下降后，控制超級電容放電，將電容里儲存的電能補償提供給起升機構做功。超級電容勢能回收系統(tǒng)具有獨立的控制保護系統(tǒng)，可以自由切換充放電，不會影響輪胎吊正常作業(yè)。

2.2 超級電容儲能單元組成及選型

超級電容儲能單元由超級電容模組、智能管理系統(tǒng)、接觸器和熔斷器等構成，可實現(xiàn)超級電容實時監(jiān)控、報警、實時數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)存儲等功能。按照超級電容儲能滿載、完全回收輪胎吊起升機構最大起升高度下的勢能來計算，最大可回收能量約為1.56 kW h，最大回收功率為140.59 kW。超級電容模組電容約為55.7 F，其充放電最大電壓為540 V，最小電壓為300 V。按照超級電容模組總電壓、單個電容模組電壓48 V計算，超級電容模組串聯(lián)個數(shù)約為12個，超級電容模組并聯(lián)個數(shù)約為4個。由此確定超級電容儲能單元選型為576V-55F（見圖2），其由48個48V-165F模組組成，裝有直流接觸器和快速熔斷器硬件保護裝置，可與智能管理系統(tǒng)通信，并安裝觸摸屏以便于本地查詢和顯示。超級電容智能管理系統(tǒng)由儲能系統(tǒng)監(jiān)控單元、模組電壓溫度監(jiān)測和智能內容管理軟件等構成，能夠實現(xiàn)對超級電容儲能單元各模組監(jiān)測和管理以及異常狀態(tài)報警和數(shù)據(jù)存儲等功能。

3 輪胎吊超級電容能量回收系統(tǒng)應用

采用Fluke NORMA 6004+便攜式高帶寬精密功率分析儀對輪胎吊特定工況進行測試和分析，測試項目包括：（1）變頻器進線側功率;（2）超級電容器側功率;（3）整流器高壓側功率;（4）變頻器進線側電壓。測試輪胎吊作業(yè)集裝箱質量為，起升高度為15.2 m，測試工況如下：吊具空載下降→吊具帶載上升至上限位→吊具帶載下降至地面→吊具帶載上升至上限位→吊具帶載下降至地面→吊具空載上升。

為裝有超級電容能量回收系統(tǒng)的輪胎吊加裝分布式能量管理系統(tǒng)。改造后輪胎吊變頻器進線側有功功率由原來的297 kW降為86 kW，降幅達70%以上，實現(xiàn)有功功率補償211 kW，效果顯著（見圖3）。改造后輪胎吊超級電容器側功率和能量測試結果如圖4所示：輪胎吊帶載下降至地面的平均回收功率為182 kW，平均回收能量為1.54 kWh;輪胎吊1個工作周期（吊具空載下降→吊具帶載上升→吊具帶載下降→吊具空載上升）可回收能量為2.09 kW·h。

為了測得分布式能量管理系統(tǒng)的節(jié)能效率，控制超級電容電壓由330 V增至536 V，隨后放電至，測試整流器高壓側的充放電功率和電容電壓（見圖5），計算得到系統(tǒng)節(jié)能效率達 93.4%。改造前變頻器進線側電壓工作范圍為238～269 V，改造后為255～269 V（見圖6）。在系統(tǒng)有功功率補償作用下，供電電壓偏差由 10.4%～1.3%改善為 4.0%～ 1.3%。

從輪胎吊超級電容能量回收系統(tǒng)實際應用情況可見：（1）系統(tǒng)可實現(xiàn)211 kW有功功率補償，對市電的有功功率需求降幅超70%;（2）輪胎吊1個工作周期可回收2.09 kW h能量，節(jié)能效率達93.4%;（3）進線側電壓偏差為 4.0%～1.3%，較改造前有明顯改善。

4 輪胎吊超級電容能量回收系統(tǒng)應用效益

4.1 能源成本

經(jīng)實測，應用超級電容能量回收系統(tǒng)的輪胎吊1個工作周期（包括吊具空載下降和帶38 t重箱下降15.2 m）可回收利用能量為1.895 kW h。按照吊具質量9.3 t、平均起升集裝箱質量11 t、平均起升高度8.5m的工況計算，吊具1個工作周期可回收利用能量0.61（kW·h）/TEU。按照每臺輪胎吊年均處理11萬TEU（每個集裝箱要經(jīng)進堆場和出堆場2次作業(yè)）計算，全年可減少用電量13.42萬kW·h;按碼頭電價0.8元/kW·h計算，全年每臺輪胎吊可節(jié)省電費10.736萬元。若穿山港區(qū)158臺輪胎吊全部應用超級電容能量回收系統(tǒng)，全年可節(jié)約電力成本1696.288萬元。

4.2 損耗費用

按輸電環(huán)節(jié)（包括變壓器、線路、開關、滑觸線取電裝置等）整體損耗96%、單套超級電容能量回收系統(tǒng)每年減少回饋13.4萬kW·h電量至電網(wǎng)、電價0.8元/（kW·h）計算，與傳統(tǒng)回饋電量至電網(wǎng)的輪胎吊相比，應用超級電容能量回收系統(tǒng)的輪胎吊全年可減少損耗費用0.428 8萬元，穿山港區(qū)158臺輪胎吊全年可減少損耗費用67.750 4萬元。

4.3 減排效益

按燃煤火電機組平均煤耗300 g/（kW·h）、1 t標準煤排放2.6 t二氧化碳、全年單套超級電容能量回收系統(tǒng)可節(jié)省13.4萬kW·h電能計算，全年每臺輪胎吊可減少二氧化碳排放量104.52 t。若穿山港區(qū)158臺輪胎吊全部安裝應用超級電容能量回收系統(tǒng)，全年可減少二氧化碳排放量16 514.16 t。

4.4 社會效益

輪胎吊超級電容能量回收系統(tǒng)的應用在港口節(jié)能減排、發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟、打造綠色港口等方面具有積極意義：（1）通過對沖擊性負荷以及供電系統(tǒng)故障導致的短時電壓波動實施補償，降低港口配電網(wǎng)對峰值功率的需求;（2）通過定制化研發(fā)面向港口輪胎吊的百千瓦級高功率石墨烯超級電容能量管理裝備，大大提高系統(tǒng)利用率和經(jīng)濟效益（降低系統(tǒng)設備成本15%～20%）;（3）形成相關知識產(chǎn)權，為后續(xù)能量回收系統(tǒng)規(guī)模化生產(chǎn)和應用推廣起到示范效應。

5 結束語

港口是我國對外開放的窗口和現(xiàn)代物流供應鏈中的重要環(huán)節(jié)，推進港口節(jié)能減排、發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟、打造綠色港口既符合國家重大戰(zhàn)略發(fā)展要求，也是港口實現(xiàn)向現(xiàn)代交通業(yè)轉型和提高自身經(jīng)濟效益的需要。輪胎吊超級電容能量回收系統(tǒng)的應用在回收輪胎吊起升機構下降制動時產(chǎn)生的再生能量以及補充起升機構上升時所需能量方面發(fā)揮重要作用，節(jié)能效果顯著，有助于推進港口節(jié)能減排，發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟，打造綠色港口。

（編輯：曹莉瓊 收稿日期：2021-08-13）