浅析港口起重机势能回馈技术及方案

黄真锐

摘 要：集装箱码头起重机作业电耗是码头生产作业主要能源消费支出之一，行业内一直在研究如何进一步降低起重机能源成本。本文介绍了几种适用在轮胎式龙门起重机上的节能改造方案，并对各方案的优劣进行对比分析，作为方案选择的参考。

关键词：场桥/RTG;起升机构;势能回馈;单向整流器;AFE回馈装置;测试方法

中图分类号：U653.921         文献标识码：A            文章编号：1006—7973（2021）03-0144-03

专业集装箱码头装卸起重机主要有轨道式岸边起重机（简称岸桥）和堆场轮胎式龙门起重机（简称场桥/RTG）。起重机装卸作业是典型的位势能负载，起升机构上升时，电机处于耗能状态，电能转换为势能;起升机构下降时，电机处于发电状态，势能转换为电能。岸桥设计时即使用电能作业，其驱动装置使用的是双向整流单元，已考虑了势能的回馈电网，后续的改造节电空间较小。而场桥（RTG）设备原设计为柴油机发电，起升机构下降的回馈电能无法回馈给电网。随着场桥逐步被改造成使用滑线架供电，其回馈电具备了再生利用的基础条件。

根据测试，RTG的回馈电可占整机作业能耗的30%左右，节电空间非常大，行业内对回馈电的再生利用技术基本都是近几年才发展完善的，各个码头对各项技术分支尚在观察测试阶段，本文探讨了较为主流的几项势能回馈技术。

1起重机势能回馈技术节能原理

全电动改造前的RTG，采用单向整流器把市电或发电机供电的460V交流电源整流为直流电源，在集装箱提升作业时，起升电机处于电动状态，起升变频器从直流母线上获取能量，驱动电机运转，在集装箱下降作业时，起升电机处于发电状态。重物的势能减少带动电动机反向运转发电，通过变频器把交流电源整流为直流，回馈到直流母线，使直流母线电压升高。为保护变频器，当直流母线电压超过一定阀值（710V），电阻器通过发热的形式把超量部分的电能消耗掉。

由上述可知，起重机主要的电能回馈来自于起升机构的势能变化，还有一小部分是各机构的减速或刹车过程，他们共同的特点是会引起直流母线电压的变化。针对如何利用起重机的超量回馈能量，行业上主要有两个方向：共直流母线储能方案和电网电能回馈方案。

共直流母线储能方案是指在直流母线上并联一套储能装置，例如锂电池、超级电容等，将起重机作业期间回馈的再生能量储存起来，在起升机构提升和大、小车加速行驶、过街、转场等能耗高峰阶段使用，实现电能的存储、转换，以达到降低能耗效果。简而言之，共直流母线储能方案是回收自身势能来供自身使用。

电网电能回馈方案是指通过加装一套双向整流回馈装置，用于替代原单向整流器工作，把多余的回馈电能逆变为交流电，返送电网。而返送电网的回馈电除一部分被自身其他用电设备消耗掉外，还可供同一输电干线下的其他设备使用，如果有多臺设备具有双向整流回馈装置，那么再生回馈电就可互相利用，从而达到降低码头整体用电量的效果。

2电能回馈技术方案

2.1共直流母线储能技术

以配备双电池组的直流母线储能技术为例，主要的核心设备由双电池组、电池管理系统、双向DC/DC、逆变器组成。如图1所示：

储能系统的核心部分电池组分为能量回收电池组和转场过街电池组，能量回收电池组用于起重机各机构的驱动助力和能量回馈时的储能，转场过街电池组主要用于RTG在转场、过街等无市电的情况下行走时提供续航。

双向DC/DC主要起调压、稳压作用，电池组放电时升压至和直流母线电压一致，给变频器和电机助力供电;电机反转发电导致直流母线电压升高时，DC/DC反向导通控制向电池组充电。

以起升机构工作为例，在集装箱提升作业时，起升电机做正功使直流母线电压下降，起重机控制器收到提升指令后控制DC/DC进入正向导通，能量回收电池组处于放电状态，电池组通过DC/DC输出能量补偿电网，以达到节电效果。在集装箱下降阶段，控制器收到下降指令后，当检测到直流母线电压升高到一定的值后，控制DC/DC反向导通，再生回馈能量通过DC/DC给能量回收电池组充电。

在RTG过街/转场时，设备的所有用电由转场过街电池组提供，因此还需要利用一台逆变器将储能设备的直流电转换成380V三相交流电给辅助设备（控制系统、通讯系统、风机、空调、照明等）供电。

2.2电网能量回馈方案

能量回馈装置是指主要由AFE（全控整流回馈单元）、LCL滤波装置、工业空调系统、双向数字计量表等组成一体化控制合柜。

能量回馈装置的主体部份AFE采用可控整流技术，其控制采用双PWM 控制技术，工作原理：①当电机处于拖动状态时，AFE2000 将能量由交流电网经整流器整流，给中间滤波电容充电，逆变器在PWM 控制下将能量传送到电机，可达到自由设定输出给电机的直流电压值，满足不同额定电压等级的设备使用;②当电机处于减速运行状态时，由于负载惯性用进入发电状态，其再生能量经逆变器中开关组件和续流二极管向中间滤波电容充电，使中间直流电压升高，此时整流器中开关组件在PWM 控制下将能量回馈到交流电网，完成能量的双向流动。同时由于PWM 整流器闭环控制作用，使电网电流与电压同频同相位，提高了系统的功率因数，消除了网侧谐波污染。

由于AFE 采用双死循环控制，电压外环实时监测电网电压的幅值和大小，保证AFE 在能量回馈时能够和电网的频率和幅值一致，电流内环的结构保证回馈到电网的电流和电压相位一致，保证输入到电网的回馈能量的功率因子能够达到接近于1 的标准，构成电流内环的电流互感器实时监测电网的谐波状况，以输出相反的谐波，达到滤除电网谐波的目的，保证电网的电能质量。AFE内部电路原理图如图2所示：

2.3多台设备改造共电网作业

电网能量回馈方案回馈的电能除小部分被自身辅助用电设备使用外，主要被同电网下的其他作业设备消耗，因此其节能优势在本机上体现不明显，而当有多台经能量回馈改造的起重设备同时投入使用时，其回馈电互相被利用的效率会大大提高，整体的节能优势得以体现。

如图3所示例，当有4台改装了AFE能量回馈装置的RTG投入作业时，其回馈电除在4台RTG中互相利用外，多余的电能将返送电网，在上一级电网的其他箱变群、岸边起重机群、楼宇建筑群中使用。

3几种势能回馈节能方案的对比分析

3.1节能率比较

做节能测试时，我们采用综合节能率测试方法，即按作业量为每小时8个集装箱的要求，集装箱重量为15吨，RTG模拟作业现场，每次吊箱需要走大车60米、小车30米、起升30米左右，并每吊次之间等待3～4分钟进场测试，统计结果如表1所示：

三种改造方案从节电率来比较，差距不算明显，其中采用电网能量回馈方案的节能率相对是最高的。

3.2综合比较

几种改造方案各有优劣，如表2所示：

方案优点 技术成熟，可靠性高;满足ERTG电动过街和短距离转场需求。 免维护，储电能力强，基本满足ERTG全电动过街转场操作需求。 免维护，技术成熟，可靠性高;节能率和投資回报期都比较理想

方案缺点 长转场需开发电机，未能实现全电动功能和废气“0”排放，超级电容需要定期维护，改造和运行成本较高，投资回报期长。 锂电池成本较高，电池存在衰减及一致性的问题。改造成本较高，投资回报期长。 需要成规模改造才能出节能效益，ERTG不可实现全电动过街转场。

从上表得知，共直流母线储电方案技术上均有一定的不稳定性，改造成本较高，投资回报期较长，其最大的优点是能解决纯电动过街转场问题;而电网能量回馈方案优点是技术成熟可靠，改造成本低，维护费用极低，成规模改造后的节电效果明显，缺点是不能解决纯电过街转场问题。

我司码头目前确定选择技术更为稳定可靠的电网能量回馈方案，过街转场则通过小发动机组实现（660KW改为150KW），这个组合方案能以较低成本达到快速成规模改造，形成节电收益，是一个比较科学可行的改造方案。

4结论

国内港口码头起重机设备大都经历过“油改电”的节能减排改造，目前已经进入到精细化的节电改造阶段，而RTG势能回馈是目前节电潜力最大的项目。本文介绍三种改造方案各有优劣，各码头如进行起重机势能回馈技术改造时可根据码头实际经营情况、设备特点、计费模式等选择符合自身利益的改造方案，以取得理想的投资与收益平衡，确保能获得预期的节电收益。