有源整流智能控制核心技术在港口大型设备上的应用

李斌

近些年来，国际原油的价格波动相对较大，因此为了有效的控制轮胎吊方面的成本，大多数港口开始展开了对轮胎吊进行了“油改电”方面的有效改造。对龙门吊进行油改电成为了当前港口向节能减排发展的一项关键内容，利用电力资源进行使用电驱动的龙门吊之后，龙门吊自发电回馈电网成为可能，但是这种新的电能存在谐波污染，会造成电网污染速度加快，以至于电力品质出现一定程度的下降，导致供用电设备出现不可预估的故障，甚至有可能由于电力方面的短路引发严重火灾事故从而造成经济方面以及人员方面的财产安全损失。

现阶段，经常采用的谐波解处理手段主要是通过进行无源并联滤波设备在整流装置上的安装展开有效的滤波。采用该技术的设备在很大程度上提高了母线电压的稳定性，然而该技术在具体应用过程中存在一定的不如指出具体变现如下：无源滤波器体积较大，需占用一定的空间面积，无形中增加了维修难度。

第一章 项目背景

宁波梅山岛国际集装箱码头有限公司位于宁波梅山保税港区，拥有 个 10-15万吨级集装箱泊位，泊位长度 1800米，设计年吞吐能力集装箱300万 TEU。梅山公司成立时间不长，是宁波港集团旗下最年轻的集装箱专业码头。近几年来，在集团公司领导的大力关心下，利用梅山保税港区得天独厚的地理优势和政策支持，公司发展势头迅猛，箱量逐年大幅上升，预计未来几年将逐渐成为宁波港集装箱业务的主战场。

为了响应国家提出的节能减排的号召以及实现现阶段对于自然环境和生态方面的有效保护，公司领导秉承打造绿色港口的理念，在港口设施建设和港口设备采购方面非常注重采用绿色环保的产品。在采购大型设备时优先考虑配备有良好滤波效果的能量回馈装置的产品。西门子公司最新研制的产品—ALM整流回馈装置采用了有源整流智能控制的核心技术，在整流供电及谐波治理方面有着十分显著的效果。梅山公司率先将该装置应用到龙门吊上，在国内港口行业中开创了先河。

第二章 研究目标及技术方案

一、研究目标

本项目研究目标主要有以下几点：1、保证设备有较高的能量回馈率。

2、保证设备的功率因数及谐波控制符合国家电网的标准。

二、技术方案

1.方案确定

项目组经过研究，认为常用的 PWM可控整流模式加滤波器技术的能量回馈装置在很大程度上提高了母线电压的稳定性、实现了电流动态无差调节和电网电压、电流相位控制，并且能将系统的功率因数大幅提升，是目前普遍采用的技术。然而，想要有效控制整流单元引发的谐波电流造成对电网的影响应当根据具体情况在电气房进行对电抗设备的安装，这样就必须占用原本就不大的电气房（尤其是龙门吊）一部分面积，同时电抗柜本身比较笨重，无形中又增加了维修的难度。除此之外，频率不同的谐波不能够使用同一组滤波设备，因此，一般情况下需要采用若干组滤波设备展开对谐波的有效过滤。采用多组滤波设备其结构方面的复杂程度相应升高并且其经济方面成本也相应的增加，同时因为一般情况下系统内具有无限不同的频率的谐波，所在在进行谐波过滤的过程中很难彻底将谐波过滤完。

根据无源滤波的效果对比可以了解到，采用有源滤波装置可以取得一定的补偿作用，同时采用游园滤波装置对于电网方面容性元件要求相对较低，并且所取得的效果也相对较为明显，在其额定的无功功率范围内，滤波效果接近百分之百。

ALM整流回馈装置运用了有源整流及有源滤波技术，采用智能化控制，在给系统提供稳定的电压的同时，还能将能量回馈给电网，并且自动检测谐波，进行优化补偿，达到最大程度消除谐波的作用。同时该装置全部采用模块化设计，体积小巧，节省空间，易于维修。

港口大型起重设备大多采用的是多传动系统，公共直流母线技术越来越广泛地应用于多电机传动系统中。发展至今，通过各种方案的有效对比能够了解到采用公共直流母线系统展开对多电机传动技术的处理方式属于最佳的手段，通过该种手段可以很大程度上处理多电机间电动状态和发电状态之间的冲突。处于一个系统内，相同的时间节点内各类型的装置能够保持不一样的运行状态，ALM整流回馈装置的智能优化补偿技术保证了公共直流母线电压的稳定供给，又将多余的能量回馈给电网，实现了再生能源的合理利用，同时消除了谐波对电力电网的影响。

据了解，具有有源整流智能控制技术的 ALM整流回馈装置目前在国内并没有大规模应用实例，因此结合上述优点，本着创新的理念，项目评估小组决定在全国港口码头中率先使用该项技术，将其大规模应用在轮胎式龙门吊等港口设备上。

2.系统组成

ALM整流回馈装置是 SINAMICS系统中重要的组成部分。SINAMICS是西门子公司新一代的驱动产品，它将逐步取代现有的 MASTERDRIVES及 SIMODRIVE系列的驱动系统。SINAMICS系列中的 SINAMICS S120是集 V/F控制、矢量控制、伺服控制为一体的多轴驱动系统，具有模块化的设计。各模块间（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）通过高速驱动通讯接口 DRIVE-CLiQ相互连接。因其电子协调式伺服驱动减少了整流、开关柜，降低了制造成本以及使用面积，降低了调试、维护时间。

ALM整流回馈装置主要有两部分构成，分别为有源整流模块和有源滤波模块，该装置采用有源整流智能控制及优化补偿核心技术，在提供整流供电的同时最大程度地消除了谐波的影响。

2.1有源整流模块

SINAMICS S120的有源整流模塊采用的是集中整流的方式，同时其在运行过程中能够为中间回路进行电能的提供的装置。它由 IGBT组成，在展开电能的整流过程中，还能够将其所采集的能量转化成电能反馈至电网内。采用智能化控制，有源整流会产生一个具有可控性的直流电压，这个直流电压会在电源电压允许的波动范围内保持一个稳定值，无论电压怎样变化这个电压值都不会变化，使得供电系统更加稳定。有源整流在电源段所引起的具体的电流与正弦波具有较强的相似性。并且当进行升降活动或者车辆采取制动过程中所产生的势则能够由有源整流模块进行电能的回收，将该部分电能提供给机上其它设备使用或同一电网内其它龙门吊使用。