有源整流智能控制核心技术在“油改气”轮胎吊上的应用

包建春+李约翰

随着国际原油价格不断上涨，为降低轮胎吊的作业成本，许多港口对现有轮胎吊实施“油改电”改造。“油改电”轮胎吊与电网相连，变频器内的绝缘栅双极型晶体管（Insulated Gate Bipolar Transistor，IGBT）在高速切换时产生的高次谐波会冲击电网，导致电网的电流谐波增加，对其他设备造成干扰，其影响主要包括：（1）加剧电网谐波污染；（2）使设备功率因数降低；（3）使变频器直流母线电压产生波动。为解决上述问题，宁波梅山岛国际集装箱码头有限公司（以下简称梅山岛码头）将有源整流智能控制核心技术应用于“油改电”轮胎吊，为系统提供稳定的电压，并将能量回馈给电网，实现自动检测谐波和优化补偿，从而最大程度地消除谐波，提高功率因数。

1 “油改电”轮胎吊传统能量回馈技术缺陷

为提高电能利用率，“油改电”轮胎吊采用带IGBT装置的能量回馈技术，将轮胎吊负载下降时产生的势能转化为电能。不过，这种电能回馈方式存在回馈率低、谐波污染严重等问题，会导致电力品质下降，使供用电设备过热或产生振动和噪声，并导致绝缘体使用寿命缩短，严重时造成电网瘫痪，甚至引发严重火灾事故，影响码头生产作业。

目前，最常用的谐波解决方案是在整流装置前加装无源并联滤波器，提高设备母线电压的稳定性。该技术的缺点是：（1）为降低整流单元产生的谐波电流对电网的影响，必须在电气房加装电抗柜，不仅占用电气房部分空间，而且增加维修难度；（2）使用多组滤波器以滤除不同频率的谐波，结构复杂且成本较高；（3）由于系统中通常含有无限种频率的谐波，难以将谐波全部滤除。相比之下，有源滤波装置能做到适时补偿，而且不增加电网的容性元件，滤波效果较好。

2 主动型电源模块整流回馈装置简介

主动型电源模块（Active Line Module，ALM）整流回馈装置是SINAMICS系统的重要组成部分。SINAMICS 是西门子公司研发的新一代驱动产品，其将逐步取代现有的MasterDrives及SIMODRIVE 系列的驱动系统。SINAMICS 系列中的SINAMICS S120 是集电压频率控制、矢量控制、伺服控制为一体的多轴驱动系统，采用模块化设计，各模块（包括控制单元模块、整流回馈模块、电机模块、传感器模块和电机编码器等）间通过高速驱动通信接口DRIVE-CLiQ相互连接。电子协调式伺服驱动有利于减少使用整流装置和开关柜，从而降低码头生产成本，缩短设备调试和维护时间。

ALM整流回馈装置主要由有源整流模块和有源滤波模块构成（见图1），采用有源整流智能控制及优化补偿核心技术，能够在整流供电的同时消除谐波对电网的影响。

（1）有源整流模块 SINAMICS S120的有源整流模块是用于集中整流并为中间回路提供直流电源的装置，其由IGBT组成，在整流供电的同时将能量反馈给电网。通过智能化控制，有源整流模块产生可控制的直流电压，其在电源电压允许的波动范围内保持稳定，从而使供电系统更加稳定。有源整流模块在电源侧产生的实际电流效果接近正弦波；同时，轮胎吊起升机构下降或小车、大车机构制动产生的势能可通过该模块转化成电能回馈给电网，供轮胎吊其他用电设备或同一电网内其他轮胎吊使用。

（2）有源滤波模块 SINAMICS S120的有源滤波模块是用于动态抑制谐波和无功补偿的新型电力电子装置。该模块实时监控谐波，根据谐波大小和频率的变化情况不断进行优化补偿，产生与系统谐波同频率、同幅度但相位相反的谐波电流，与系统中的谐波电流相抵消，从而达到消除谐波的目的。

总之，ALM整流回馈装置不但能够将多余的能量反馈给电网，还能起到有效的滤波作用，无须为系统另配滤波装置。该装置采用模块化设计，体积小巧，整流运行所需组件都集成在有源整流单元中，易于操作，维修方便。

3 有源整流智能控制核心技术在“油改电”轮胎吊上的应用

港口大型起重设备大多采用多电机传动系统，目前公共直流母线系统是解决多电机传动技术的最优方案，能很好地解决多电机间电动状态和发电状态之间的矛盾，其原理为：在同一系统中，不同装置同一时刻可处于不同工作状态。ALM整流回馈装置的智能优化补偿技术不仅能保证公共直流母线电压的稳定供给，又能将多余的能量回馈给电网，同时消除谐波对电网的影响。

结合ALM整流回馈装置有源整流智能控制技术的优点，本着创新的理念，梅山岛码头相关项目评估小组将该技术大规模应用于“油改电”轮胎吊等大型港口设备。通过计算、分析轮胎吊参数，项目组选择西门子公司生产的6SL3330-7TE35-0AA0和6SL3300-7TE35-0AA0装置，其额定功率，额定电流，符合轮胎吊的工况要求。

ALM整流回馈装置有源整流智能控制技术为西门子公司最新的核心技术，在国际上处于领先地位，我国尚无该项技术大规模应用的先例。从梅山岛码头的应用情况来看，采用有源整流智能控制技术的ALM整流回馈装置运行可靠，电能回馈率较高（见表1），滤波效果明显，使谐波电压、电流及功率因数都得到了很好地控制。

采用有源整流智能控制技术后，以“油改电”轮胎吊起升重载为例：谐波电压最大值约，最小值约；电流最大值约，最小值约；有功功率在整个测试期内的波动范围为 150～ ；无功功率（感性）的波动范围为19～；功率因数的波动范围为0.60～0.95。从测试波形可见，谐波电压、谐波电流以3次、5次、7次、11次、13次为主，电压总畸变率为1%，电流总畸变率为2%。专业检测机构对梅山岛码头“油改电”轮胎吊不同工况下各机构的测试数据见表2。

由以上测试波形和数据可以得到以下结论：（1）在轮胎吊正常运行过程中，系统平均功率因数较高（0.95以上），低功率因数运行时间较短；（2）侧谐波电压、谐波电流以3次、5次、7次、11次、13次为主，折算到侧，谐波电压、谐波电流处于正常范围。

4 结束语

随着将有源整流智能控制核心技术大规模推广应用于“油改电”轮胎吊，梅山岛码头成为我国首家使用该项高端节能技术的码头公司。有源整流智能控制核心技术在码头大型设备上的应用是码头在节能减排、谐波治理方面的创新举措，梅山岛码头的经验可为其他码头在这方面的探索提供借鉴和参考。

（编辑：曹莉琼 收稿日期：2014-08-28）

随着国际原油价格不断上涨，为降低轮胎吊的作业成本，许多港口对现有轮胎吊实施“油改电”改造。“油改电”轮胎吊与电网相连，变频器内的绝缘栅双极型晶体管（Insulated Gate Bipolar Transistor，IGBT）在高速切换时产生的高次谐波会冲击电网，导致电网的电流谐波增加，对其他设备造成干扰，其影响主要包括：（1）加剧电网谐波污染；（2）使设备功率因数降低；（3）使变频器直流母线电压产生波动。为解决上述问题，宁波梅山岛国际集装箱码头有限公司（以下简称梅山岛码头）将有源整流智能控制核心技术应用于“油改电”轮胎吊，为系统提供稳定的电压，并将能量回馈给电网，实现自动检测谐波和优化补偿，从而最大程度地消除谐波，提高功率因数。

1 “油改电”轮胎吊传统能量回馈技术缺陷

为提高电能利用率，“油改电”轮胎吊采用带IGBT装置的能量回馈技术，将轮胎吊负载下降时产生的势能转化为电能。不过，这种电能回馈方式存在回馈率低、谐波污染严重等问题，会导致电力品质下降，使供用电设备过热或产生振动和噪声，并导致绝缘体使用寿命缩短，严重时造成电网瘫痪，甚至引发严重火灾事故，影响码头生产作业。

目前，最常用的谐波解决方案是在整流装置前加装无源并联滤波器，提高设备母线电压的稳定性。该技术的缺点是：（1）为降低整流单元产生的谐波电流对电网的影响，必须在电气房加装电抗柜，不仅占用电气房部分空间，而且增加维修难度；（2）使用多组滤波器以滤除不同频率的谐波，结构复杂且成本较高；（3）由于系统中通常含有无限种频率的谐波，难以将谐波全部滤除。相比之下，有源滤波装置能做到适时补偿，而且不增加电网的容性元件，滤波效果较好。

2 主动型电源模块整流回馈装置简介

主动型电源模块（Active Line Module，ALM）整流回馈装置是SINAMICS系统的重要组成部分。SINAMICS 是西门子公司研发的新一代驱动产品，其将逐步取代现有的MasterDrives及SIMODRIVE 系列的驱动系统。SINAMICS 系列中的SINAMICS S120 是集电压频率控制、矢量控制、伺服控制为一体的多轴驱动系统，采用模块化设计，各模块（包括控制单元模块、整流回馈模块、电机模块、传感器模块和电机编码器等）间通过高速驱动通信接口DRIVE-CLiQ相互连接。电子协调式伺服驱动有利于减少使用整流装置和开关柜，从而降低码头生产成本，缩短设备调试和维护时间。

ALM整流回馈装置主要由有源整流模块和有源滤波模块构成（见图1），采用有源整流智能控制及优化补偿核心技术，能够在整流供电的同时消除谐波对电网的影响。

（1）有源整流模块 SINAMICS S120的有源整流模块是用于集中整流并为中间回路提供直流电源的装置，其由IGBT组成，在整流供电的同时将能量反馈给电网。通过智能化控制，有源整流模块产生可控制的直流电压，其在电源电压允许的波动范围内保持稳定，从而使供电系统更加稳定。有源整流模块在电源侧产生的实际电流效果接近正弦波；同时，轮胎吊起升机构下降或小车、大车机构制动产生的势能可通过该模块转化成电能回馈给电网，供轮胎吊其他用电设备或同一电网内其他轮胎吊使用。

（2）有源滤波模块 SINAMICS S120的有源滤波模块是用于动态抑制谐波和无功补偿的新型电力电子装置。该模块实时监控谐波，根据谐波大小和频率的变化情况不断进行优化补偿，产生与系统谐波同频率、同幅度但相位相反的谐波电流，与系统中的谐波电流相抵消，从而达到消除谐波的目的。

总之，ALM整流回馈装置不但能够将多余的能量反馈给电网，还能起到有效的滤波作用，无须为系统另配滤波装置。该装置采用模块化设计，体积小巧，整流运行所需组件都集成在有源整流单元中，易于操作，维修方便。

3 有源整流智能控制核心技术在“油改电”轮胎吊上的应用

港口大型起重设备大多采用多电机传动系统，目前公共直流母线系统是解决多电机传动技术的最优方案，能很好地解决多电机间电动状态和发电状态之间的矛盾，其原理为：在同一系统中，不同装置同一时刻可处于不同工作状态。ALM整流回馈装置的智能优化补偿技术不仅能保证公共直流母线电压的稳定供给，又能将多余的能量回馈给电网，同时消除谐波对电网的影响。

结合ALM整流回馈装置有源整流智能控制技术的优点，本着创新的理念，梅山岛码头相关项目评估小组将该技术大规模应用于“油改电”轮胎吊等大型港口设备。通过计算、分析轮胎吊参数，项目组选择西门子公司生产的6SL3330-7TE35-0AA0和6SL3300-7TE35-0AA0装置，其额定功率，额定电流，符合轮胎吊的工况要求。

ALM整流回馈装置有源整流智能控制技术为西门子公司最新的核心技术，在国际上处于领先地位，我国尚无该项技术大规模应用的先例。从梅山岛码头的应用情况来看，采用有源整流智能控制技术的ALM整流回馈装置运行可靠，电能回馈率较高（见表1），滤波效果明显，使谐波电压、电流及功率因数都得到了很好地控制。

采用有源整流智能控制技术后，以“油改电”轮胎吊起升重载为例：谐波电压最大值约，最小值约；电流最大值约，最小值约；有功功率在整个测试期内的波动范围为 150～ ；无功功率（感性）的波动范围为19～；功率因数的波动范围为0.60～0.95。从测试波形可见，谐波电压、谐波电流以3次、5次、7次、11次、13次为主，电压总畸变率为1%，电流总畸变率为2%。专业检测机构对梅山岛码头“油改电”轮胎吊不同工况下各机构的测试数据见表2。

由以上测试波形和数据可以得到以下结论：（1）在轮胎吊正常运行过程中，系统平均功率因数较高（0.95以上），低功率因数运行时间较短；（2）侧谐波电压、谐波电流以3次、5次、7次、11次、13次为主，折算到侧，谐波电压、谐波电流处于正常范围。

4 结束语

随着将有源整流智能控制核心技术大规模推广应用于“油改电”轮胎吊，梅山岛码头成为我国首家使用该项高端节能技术的码头公司。有源整流智能控制核心技术在码头大型设备上的应用是码头在节能减排、谐波治理方面的创新举措，梅山岛码头的经验可为其他码头在这方面的探索提供借鉴和参考。

（编辑：曹莉琼 收稿日期：2014-08-28）

随着国际原油价格不断上涨，为降低轮胎吊的作业成本，许多港口对现有轮胎吊实施“油改电”改造。“油改电”轮胎吊与电网相连，变频器内的绝缘栅双极型晶体管（Insulated Gate Bipolar Transistor，IGBT）在高速切换时产生的高次谐波会冲击电网，导致电网的电流谐波增加，对其他设备造成干扰，其影响主要包括：（1）加剧电网谐波污染；（2）使设备功率因数降低；（3）使变频器直流母线电压产生波动。为解决上述问题，宁波梅山岛国际集装箱码头有限公司（以下简称梅山岛码头）将有源整流智能控制核心技术应用于“油改电”轮胎吊，为系统提供稳定的电压，并将能量回馈给电网，实现自动检测谐波和优化补偿，从而最大程度地消除谐波，提高功率因数。

1 “油改电”轮胎吊传统能量回馈技术缺陷

为提高电能利用率，“油改电”轮胎吊采用带IGBT装置的能量回馈技术，将轮胎吊负载下降时产生的势能转化为电能。不过，这种电能回馈方式存在回馈率低、谐波污染严重等问题，会导致电力品质下降，使供用电设备过热或产生振动和噪声，并导致绝缘体使用寿命缩短，严重时造成电网瘫痪，甚至引发严重火灾事故，影响码头生产作业。

目前，最常用的谐波解决方案是在整流装置前加装无源并联滤波器，提高设备母线电压的稳定性。该技术的缺点是：（1）为降低整流单元产生的谐波电流对电网的影响，必须在电气房加装电抗柜，不仅占用电气房部分空间，而且增加维修难度；（2）使用多组滤波器以滤除不同频率的谐波，结构复杂且成本较高；（3）由于系统中通常含有无限种频率的谐波，难以将谐波全部滤除。相比之下，有源滤波装置能做到适时补偿，而且不增加电网的容性元件，滤波效果较好。

2 主动型电源模块整流回馈装置简介

主动型电源模块（Active Line Module，ALM）整流回馈装置是SINAMICS系统的重要组成部分。SINAMICS 是西门子公司研发的新一代驱动产品，其将逐步取代现有的MasterDrives及SIMODRIVE 系列的驱动系统。SINAMICS 系列中的SINAMICS S120 是集电压频率控制、矢量控制、伺服控制为一体的多轴驱动系统，采用模块化设计，各模块（包括控制单元模块、整流回馈模块、电机模块、传感器模块和电机编码器等）间通过高速驱动通信接口DRIVE-CLiQ相互连接。电子协调式伺服驱动有利于减少使用整流装置和开关柜，从而降低码头生产成本，缩短设备调试和维护时间。

ALM整流回馈装置主要由有源整流模块和有源滤波模块构成（见图1），采用有源整流智能控制及优化补偿核心技术，能够在整流供电的同时消除谐波对电网的影响。

（1）有源整流模块 SINAMICS S120的有源整流模块是用于集中整流并为中间回路提供直流电源的装置，其由IGBT组成，在整流供电的同时将能量反馈给电网。通过智能化控制，有源整流模块产生可控制的直流电压，其在电源电压允许的波动范围内保持稳定，从而使供电系统更加稳定。有源整流模块在电源侧产生的实际电流效果接近正弦波；同时，轮胎吊起升机构下降或小车、大车机构制动产生的势能可通过该模块转化成电能回馈给电网，供轮胎吊其他用电设备或同一电网内其他轮胎吊使用。

（2）有源滤波模块 SINAMICS S120的有源滤波模块是用于动态抑制谐波和无功补偿的新型电力电子装置。该模块实时监控谐波，根据谐波大小和频率的变化情况不断进行优化补偿，产生与系统谐波同频率、同幅度但相位相反的谐波电流，与系统中的谐波电流相抵消，从而达到消除谐波的目的。

总之，ALM整流回馈装置不但能够将多余的能量反馈给电网，还能起到有效的滤波作用，无须为系统另配滤波装置。该装置采用模块化设计，体积小巧，整流运行所需组件都集成在有源整流单元中，易于操作，维修方便。

3 有源整流智能控制核心技术在“油改电”轮胎吊上的应用

港口大型起重设备大多采用多电机传动系统，目前公共直流母线系统是解决多电机传动技术的最优方案，能很好地解决多电机间电动状态和发电状态之间的矛盾，其原理为：在同一系统中，不同装置同一时刻可处于不同工作状态。ALM整流回馈装置的智能优化补偿技术不仅能保证公共直流母线电压的稳定供给，又能将多余的能量回馈给电网，同时消除谐波对电网的影响。

结合ALM整流回馈装置有源整流智能控制技术的优点，本着创新的理念，梅山岛码头相关项目评估小组将该技术大规模应用于“油改电”轮胎吊等大型港口设备。通过计算、分析轮胎吊参数，项目组选择西门子公司生产的6SL3330-7TE35-0AA0和6SL3300-7TE35-0AA0装置，其额定功率，额定电流，符合轮胎吊的工况要求。

ALM整流回馈装置有源整流智能控制技术为西门子公司最新的核心技术，在国际上处于领先地位，我国尚无该项技术大规模应用的先例。从梅山岛码头的应用情况来看，采用有源整流智能控制技术的ALM整流回馈装置运行可靠，电能回馈率较高（见表1），滤波效果明显，使谐波电压、电流及功率因数都得到了很好地控制。

采用有源整流智能控制技术后，以“油改电”轮胎吊起升重载为例：谐波电压最大值约，最小值约；电流最大值约，最小值约；有功功率在整个测试期内的波动范围为 150～ ；无功功率（感性）的波动范围为19～；功率因数的波动范围为0.60～0.95。从测试波形可见，谐波电压、谐波电流以3次、5次、7次、11次、13次为主，电压总畸变率为1%，电流总畸变率为2%。专业检测机构对梅山岛码头“油改电”轮胎吊不同工况下各机构的测试数据见表2。

由以上测试波形和数据可以得到以下结论：（1）在轮胎吊正常运行过程中，系统平均功率因数较高（0.95以上），低功率因数运行时间较短；（2）侧谐波电压、谐波电流以3次、5次、7次、11次、13次为主，折算到侧，谐波电压、谐波电流处于正常范围。

4 结束语

随着将有源整流智能控制核心技术大规模推广应用于“油改电”轮胎吊，梅山岛码头成为我国首家使用该项高端节能技术的码头公司。有源整流智能控制核心技术在码头大型设备上的应用是码头在节能减排、谐波治理方面的创新举措，梅山岛码头的经验可为其他码头在这方面的探索提供借鉴和参考。

（编辑：曹莉琼 收稿日期：2014-08-28）