撰文   范建共   尚   浩

能源是经济、社会发展的物质基础，我国作为能源消费大国，国民经济快速增长与能源瓶颈之间的矛盾日益突出，建设资源节约型、环境友好型社会已经成为国家重要发展战略之一。在“十一五”规划中明确指出节能降耗和防污减排的目标，“十二五”规划中明确提出２０１５年我国单位工业增加值能耗、二氧化碳排放量和用水量分别要比“十一五”末降低１８％以上和３０％。从规划中看出“节能减排”的压力依然巨大。继港口RTG油改电技术以后，将ERTG在装卸过程中产生的势能回收转换成电能，同时结合解决油改电后产生的电网污染问题，对港口节能减排具有巨大的潜力和重要的现实意义。

轮胎吊全名是轮胎式集装箱门式起重机RTG（Rubber Tyred Gantry Crane）是世界各大集装箱专业化码头堆场的主力设备，经“油改电”后的RTG被称为ERTG（Electric Rubber Tyred Gantry Crane）。据相关部门数据统计，我国集装箱码头堆场装卸设备的85%左右使用RTG。传统RTG由柴油发电机组驱动，能量转换效率低、能耗大、成本高。柴油机气体排放、噪音、废油泄漏都会对港口造成污染。近年来，世界各大港口机械制造商和配套商都投入了研发力量进行技术改进，目前各大港口针对RTG的低效高耗能缺点纷纷进行了“油改电”运行,即 RTG的工作所需电力不再使用柴油发电机组, 而是取自码头堆场提供的廉价市电，仅配小功率柴油发电机组提供RTG转场行走所需电能，这样既保持了RTG可以转场的灵活机动,又节能环保,。据统计，ERTG比传统RTG单位标箱能耗成本可降低约40%以上。

一、     港口ERTG的拖动方式和电网环境的现状

1.港口ERTG拖动方式

随着电力电子技术的快速发展，港口ERTG的电气拖动采用了交流笼型异步电动机驱动和变频调速技术，ERTG输出转矩恒定，起升机构采用变频闭环矢量控制模式。但普通变频调速技术也限制了将势能转换成电能并回馈给电网的过程，一般‘‘交-直-交’’变频器前端通常采用三相桥式二极管整流方式。当电机在发电状态工作时，由势能转换的电能只能回到变频器直流侧的电容内，不能通过二极管整流电路回馈给电网，剩余的电能只能通过直流斩波器流向外接电阻，变成热能消耗掉，以避免电容充电过多，造成电压过高而损坏设备。另外，由于二极管全桥整流模式的局限，导致变频器网侧功率因素不高，输入的谐波电流对电网的干扰较大，导致变频器网侧功率因素不高，变频器功率越大对电网的影响也就越大。

2.港口电网环境的现状

港口RTG在油改电以后，采用市电的ERTG与电网相连，变频器内的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量增加，同时也会干扰到其他设备，对电网和设备的影响主要有以下几个方面：（1）增加了对电网谐波的污染。 （2）降低了设备的功率因素。（3）对变频器直流母线电压会产生波动。（4）RTG的设备效率相对降低、增加电能的消耗、设备故障率高。

二、ERTG电网优化及节能

1.回馈电能

轮胎吊是港口起重机械的主力设备，其起升机构—吊具的动作过程通常是在带载的情况下，完成十多米的垂直位移变化，由此导致的位能变化形成的再生能量是相当大的。

轮胎吊的负载性质都属于恒转矩负载特性。一种是反抗性负载如行走机构，比如说大、小车机构；一种是位能性负载如起升机构。反抗性负载要求电动机具有以原点为对称的特定，电动机的工作特性通常是在电动状态下，但在制动的时候由于减速，有部分动能也将转化成电能储存在变频器的电容中。

位能性负载要求电动机具有不对称特性，电动机的工作状态是当提升时为电动状态，负载下降时为制动状态。位能负载的一个特性是下放过程中有大量的位能功率需要释放。在一个下放行程中，重物的全部位能都将被释放出来，除了少量的能量会损耗在电动机和变频器内部外，大部分位能都会回馈到变频器的直流母线上。如果提升和下放操作频繁，那么单位时间内回馈大总能量就很可观。当电动机处于制动状态时，传统系统中所储存的机械能经电动机转换成电能，通过六个续流二极管回送到变频器的直流回路中，此时的逆变器处于整流状态。这是如果变频器中没有采取消耗能量的措施，这部分能量将导致中间回路的储能电容器的电压上升。如果当制动过快或机械负载为提升类时，这部分能量将导致变频器的损坏。

对这类能量最常用的方法是采用在直流回路中加制动电阻的方式来消耗能量，不但浪费能量还造成环境温度的升高。对于这部分能量可以通过具有先进矢量控制算法的有源整流回馈装置来加以回收。

2.电网优化

在供电系统中，产生谐波的根本原因是由于给具有非线性阻抗特性的电气设备(又称为非线性负荷)供电的结果。这些非线性负荷在工作时向电源反馈高次谐波，导致供电系统的电压、电流波形畸变，使电力质量变坏。变频器就是这样的非线性负载，大量的5、7、11、15、17、19次谐波电流被灌入电网，且由于谐波的存在，大量的无功功率被消耗，使得功率因数降低，为此，用户不得不增加无功补偿设备，增加额外投资。

因为ERTG工作时的负载是间歇性的，负载大小不断在变化的，功率因数也是不断变化的，所以采用一般的SVC（静态无功补偿）无法满足系统对于提高功率因数的要求。上海海得控制系统股份有限公司的电网优化及节能系统具备动态调整无功的能力，通过提高单台ERTG的功率因数，从而提高了整个系统的功率因数。

原ERTG上变频器的直流供电部分采用的是6脉波不控整流单元，当ERTG提升重物时，其谐波电流含量大（测得电流总畸变率为29%左右），严重污染电网，测得电网电压谐波总畸变率在10%左右。当ERTG提升重物时，每台ERTG相当于一个谐波污染源，不断的向电网输出谐波电流。当多台ERTG都提升重物时，相当于多个谐波源同时向电网输出谐波电流，依据GB14549-1993-T电能质量公用电网谐波标准，其谐波电流会叠加，产生更大的谐波污染。

原ERTG上变频器的直流供电部分采用的是6脉波不控整流单元，直流电压受电网电压波动影响较大，当直流电压过低时，严重影响变频器转矩出力，甚至会引起变频器过热故障停机；制动时采用制动电阻控制直流电压，一般开启制动单元的阀值较高，ERTG提升和下放重物过程中，会引起直流电压140V左右的波动，变频器直流母线电容都要深度充放电，从而降低了电容的使用寿命。对原有的直流供电部分采用的不控整流单元进行旁路，采用可控的、宽范围电压输入的整流单元，保证了输入电压在AC320～AC500V之间仍然能够给变频器提供稳定的直流母线电压，确保变频器输出恒定转矩。

三、ERTG节能改造实践

上海浦东国际集装箱码头有限公司使用的是由上海振华港机生产的40.5t轮胎吊，其机构主要由起升、大车、小车等机构组成。其中起升机构不能与大车机构同时运行。起升机构电机170kw,大车采用两台45kw电机拖动，小车由两台15kw的电机拖动；起升机构通过切换后通过同一台逆变器驱动其中一台大车电机，起升变频器315KVA（并通过切换控制一台大车电机）, 大车变频器98KVA（驱动一台大车电机）和两台37KVA变频器（分别驱动两台小车电机），采用能耗制动的方式。

起升机构和小车行走机构都是间隔短时重复性连续工作制，即对箱、吊箱、运箱、对箱，周期性的起停或加减速，间隔很短。它要求具有良好的调速性能，除了要求有足够的散热功率和起制动转矩外，还要考虑过载能力的迅速反应和电动机的良好通风散热。

改造项目所使用的节能系统可使功率因数能保持在0.96～0.99之间，电流谐波畸变率可控制在4%以内。经过一年多的现场试验和测试，达到了改造项目所设计的电网优化数据和节电量的要求，得到了用户的一致认可。全国有众多的港口码头和起重设备，存在大量可回收的势能，同时也需要抑制谐波，提高功率因数。提高港区电网的质量。因此ERTG电网优化及节能系统的应用推广，将对社会产生巨大的经济效益。

（作者：上海浦东国际集装箱码头有限公司   上海海得控制系统股份有限公司）

（转载自《中国港口》杂志2012年第6期）