淺析港口起重機勢能回饋技術及方案

黃真銳

摘 要：集裝箱碼頭起重機作業電耗是碼頭生產作業主要能源消費支出之一，行業內一直在研究如何進一步降低起重機能源成本。本文介紹了幾種適用在輪胎式龍門起重機上的節能改造方案，并對各方案的優劣進行對比分析，作為方案選擇的參考。

關鍵詞：場橋/RTG;起升機構;勢能回饋;單向整流器;AFE回饋裝置;測試方法

中圖分類號：U653.921? ? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? 文章編號：1006—7973（2021）03-0144-03

專業集裝箱碼頭裝卸起重機主要有軌道式岸邊起重機（簡稱岸橋）和堆場輪胎式龍門起重機（簡稱場橋/RTG）。起重機裝卸作業是典型的位勢能負載，起升機構上升時，電機處于耗能狀態，電能轉換為勢能;起升機構下降時，電機處于發電狀態，勢能轉換為電能。岸橋設計時即使用電能作業，其驅動裝置使用的是雙向整流單元，已考慮了勢能的回饋電網，后續的改造節電空間較小。而場橋（RTG）設備原設計為柴油機發電，起升機構下降的回饋電能無法回饋給電網。隨著場橋逐步被改造成使用滑線架供電，其回饋電具備了再生利用的基礎條件。

根據測試，RTG的回饋電可占整機作業能耗的30%左右，節電空間非常大，行業內對回饋電的再生利用技術基本都是近幾年才發展完善的，各個碼頭對各項技術分支尚在觀察測試階段，本文探討了較為主流的幾項勢能回饋技術。

1起重機勢能回饋技術節能原理

全電動改造前的RTG，采用單向整流器把市電或發電機供電的460V交流電源整流為直流電源，在集裝箱提升作業時，起升電機處于電動狀態，起升變頻器從直流母線上獲取能量，驅動電機運轉，在集裝箱下降作業時，起升電機處于發電狀態。重物的勢能減少帶動電動機反向運轉發電，通過變頻器把交流電源整流為直流，回饋到直流母線，使直流母線電壓升高。為保護變頻器，當直流母線電壓超過一定閥值（710V），電阻器通過發熱的形式把超量部分的電能消耗掉。

由上述可知，起重機主要的電能回饋來自于起升機構的勢能變化，還有一小部分是各機構的減速或剎車過程，他們共同的特點是會引起直流母線電壓的變化。針對如何利用起重機的超量回饋能量，行業上主要有兩個方向：共直流母線儲能方案和電網電能回饋方案。

共直流母線儲能方案是指在直流母線上并聯一套儲能裝置，例如鋰電池、超級電容等，將起重機作業期間回饋的再生能量儲存起來，在起升機構提升和大、小車加速行駛、過街、轉場等能耗高峰階段使用，實現電能的存儲、轉換，以達到降低能耗效果。簡而言之，共直流母線儲能方案是回收自身勢能來供自身使用。

電網電能回饋方案是指通過加裝一套雙向整流回饋裝置，用于替代原單向整流器工作，把多余的回饋電能逆變為交流電，返送電網。而返送電網的回饋電除一部分被自身其他用電設備消耗掉外，還可供同一輸電干線下的其他設備使用，如果有多臺設備具有雙向整流回饋裝置，那么再生回饋電就可互相利用，從而達到降低碼頭整體用電量的效果。

2電能回饋技術方案

2.1共直流母線儲能技術

以配備雙電池組的直流母線儲能技術為例，主要的核心設備由雙電池組、電池管理系統、雙向DC/DC、逆變器組成。如圖1所示：

儲能系統的核心部分電池組分為能量回收電池組和轉場過街電池組，能量回收電池組用于起重機各機構的驅動助力和能量回饋時的儲能，轉場過街電池組主要用于RTG在轉場、過街等無市電的情況下行走時提供續航。

雙向DC/DC主要起調壓、穩壓作用，電池組放電時升壓至和直流母線電壓一致，給變頻器和電機助力供電;電機反轉發電導致直流母線電壓升高時，DC/DC反向導通控制向電池組充電。

以起升機構工作為例，在集裝箱提升作業時，起升電機做正功使直流母線電壓下降，起重機控制器收到提升指令后控制DC/DC進入正向導通，能量回收電池組處于放電狀態，電池組通過DC/DC輸出能量補償電網，以達到節電效果。在集裝箱下降階段，控制器收到下降指令后，當檢測到直流母線電壓升高到一定的值后，控制DC/DC反向導通，再生回饋能量通過DC/DC給能量回收電池組充電。

在RTG過街/轉場時，設備的所有用電由轉場過街電池組提供，因此還需要利用一臺逆變器將儲能設備的直流電轉換成380V三相交流電給輔助設備（控制系統、通訊系統、風機、空調、照明等）供電。

2.2電網能量回饋方案

能量回饋裝置是指主要由AFE（全控整流回饋單元）、LCL濾波裝置、工業空調系統、雙向數字計量表等組成一體化控制合柜。

能量回饋裝置的主體部份AFE采用可控整流技術，其控制采用雙PWM 控制技術，工作原理：①當電機處于拖動狀態時，AFE2000 將能量由交流電網經整流器整流，給中間濾波電容充電，逆變器在PWM 控制下將能量傳送到電機，可達到自由設定輸出給電機的直流電壓值，滿足不同額定電壓等級的設備使用;②當電機處于減速運行狀態時，由于負載慣性用進入發電狀態，其再生能量經逆變器中開關組件和續流二極管向中間濾波電容充電，使中間直流電壓升高，此時整流器中開關組件在PWM 控制下將能量回饋到交流電網，完成能量的雙向流動。同時由于PWM 整流器閉環控制作用，使電網電流與電壓同頻同相位，提高了系統的功率因數，消除了網側諧波污染。

由于AFE 采用雙死循環控制，電壓外環實時監測電網電壓的幅值和大小，保證AFE 在能量回饋時能夠和電網的頻率和幅值一致，電流內環的結構保證回饋到電網的電流和電壓相位一致，保證輸入到電網的回饋能量的功率因子能夠達到接近于1 的標準，構成電流內環的電流互感器實時監測電網的諧波狀況，以輸出相反的諧波，達到濾除電網諧波的目的，保證電網的電能質量。AFE內部電路原理圖如圖2所示：

2.3多臺設備改造共電網作業

電網能量回饋方案回饋的電能除小部分被自身輔助用電設備使用外，主要被同電網下的其他作業設備消耗，因此其節能優勢在本機上體現不明顯，而當有多臺經能量回饋改造的起重設備同時投入使用時，其回饋電互相被利用的效率會大大提高，整體的節能優勢得以體現。

如圖3所示例，當有4臺改裝了AFE能量回饋裝置的RTG投入作業時，其回饋電除在4臺RTG中互相利用外，多余的電能將返送電網，在上一級電網的其他箱變群、岸邊起重機群、樓宇建筑群中使用。

3幾種勢能回饋節能方案的對比分析

3.1節能率比較

做節能測試時，我們采用綜合節能率測試方法，即按作業量為每小時8個集裝箱的要求，集裝箱重量為15噸，RTG模擬作業現場，每次吊箱需要走大車60米、小車30米、起升30米左右，并每吊次之間等待3～4分鐘進場測試，統計結果如表1所示：

三種改造方案從節電率來比較，差距不算明顯，其中采用電網能量回饋方案的節能率相對是最高的。

3.2綜合比較

幾種改造方案各有優劣，如表2所示：

方案優點 技術成熟，可靠性高;滿足ERTG電動過街和短距離轉場需求。 免維護，儲電能力強，基本滿足ERTG全電動過街轉場操作需求。 免維護，技術成熟，可靠性高;節能率和投資回報期都比較理想

方案缺點 長轉場需開發電機，未能實現全電動功能和廢氣“0”排放，超級電容需要定期維護，改造和運行成本較高，投資回報期長。 鋰電池成本較高，電池存在衰減及一致性的問題。改造成本較高，投資回報期長。 需要成規模改造才能出節能效益，ERTG不可實現全電動過街轉場。

從上表得知，共直流母線儲電方案技術上均有一定的不穩定性，改造成本較高，投資回報期較長，其最大的優點是能解決純電動過街轉場問題;而電網能量回饋方案優點是技術成熟可靠，改造成本低，維護費用極低，成規模改造后的節電效果明顯，缺點是不能解決純電過街轉場問題。

我司碼頭目前確定選擇技術更為穩定可靠的電網能量回饋方案，過街轉場則通過小發動機組實現（660KW改為150KW），這個組合方案能以較低成本達到快速成規模改造，形成節電收益，是一個比較科學可行的改造方案。

4結論

國內港口碼頭起重機設備大都經歷過“油改電”的節能減排改造，目前已經進入到精細化的節電改造階段，而RTG勢能回饋是目前節電潛力最大的項目。本文介紹三種改造方案各有優劣，各碼頭如進行起重機勢能回饋技術改造時可根據碼頭實際經營情況、設備特點、計費模式等選擇符合自身利益的改造方案，以取得理想的投資與收益平衡，確保能獲得預期的節電收益。