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1 港口行業(yè)背景及現(xiàn)狀
改革開放以來，中國港口業(yè)以銳不可擋之勢，創(chuàng)造了一個又一個奇跡，貨物吞吐量和集裝箱吞吐量一路飆升，成為世界上港口吞吐量和集裝箱吞吐量最多、增長速度最快的國家。中國港口行業(yè)在取得驕人成績的同時日趨發(fā)展成熟。
目前，世界各集裝箱港口通用的起重機械（又稱場橋）有兩類，一類是軌道式集裝箱龍門起重機（Rail Mounted Gantry Crane，簡稱RMG），另一類是輪胎式集裝箱龍門起重機（Rubber Tyred Gantry Crane，簡稱RTG）。RMG采用市電供電，具有節(jié)能、無噪音、無污染、穩(wěn)定可靠及能量可再生等優(yōu)點，但不能轉(zhuǎn)場；RTG是世界各大集裝箱專業(yè)化碼頭堆場的主力設備，它具有碼頭基礎的投資成本低、機動靈活可轉(zhuǎn)場作業(yè)，一直受到廣大集裝箱作業(yè)碼頭的歡迎，據(jù)統(tǒng)計，目前全球集裝箱起重機中有95%均為RTG。
2 某港口面臨的電能質(zhì)量問題
某港口企業(yè)是國內(nèi)十大港口之一，2013年全港年貨物吞吐量近5億噸，集裝箱吞吐量超過1600萬標準箱，該港口目前大量使用RTG，并且完成柴電改造。
傳統(tǒng)的RTG由柴油發(fā)電組驅(qū)動，雖然可以靈活轉(zhuǎn)場，但能量轉(zhuǎn)換效率低、能耗大、成本高、污染嚴重、噪音和振動大，為了響應節(jié)能減排，保護環(huán)境的號召，在油價高漲的趨勢下大多RTG都進行“油改電技術(shù)”改造，采用市電供電，但是大多數(shù)RTG不能實現(xiàn)能量再生，只能將能量通過電阻消耗掉，造成了能源的浪費。由于大量采用非線性設備（如變頻器），產(chǎn)生大量諧波，將會對設備帶來危害，并對電網(wǎng)產(chǎn)生巨大污染。
圖2 RTG工作圖和AFE安裝位置圖
3 AFE2000產(chǎn)品特點
為了解決上述問題，該港口企業(yè)采用了臺達有源前端AFE2000系列。該產(chǎn)品采用高階控制運算法，能真正的實現(xiàn)能量雙向流動，與變頻器搭配，可實現(xiàn)變頻調(diào)速系統(tǒng)的四象限運行。在該項目的應用中，AFE2000實現(xiàn)了以下功能：
取代傳統(tǒng)剎車電阻，回生能量再利用。輪胎吊下行時電機轉(zhuǎn)子超過電機同步轉(zhuǎn)速時（曲柄凈扭矩為負）， 交流電機變成交流發(fā)電機，此時電能需要通過直流側(cè)制動單元流向制動電阻，變成熱能來進行消耗。采用AFE2000后，可以將原需消耗的電能轉(zhuǎn)化為標準的正弦電源回饋系統(tǒng)，回饋電能節(jié)電率在30%左右。
圖3 AFE不投入與投入時能量消耗及反饋對比
提高功率因數(shù)。由于每個TEU的重量不等，故RTG的負載是變化的，而在選用電動機時， 通常是根據(jù)工作中的最大載荷（例如啟動轉(zhuǎn)矩）來選配。電機的額定功率都是恒定的， 以不變的最大功率拖動時刻變化的載荷，勢必造成大馬拉小車之類的浪費。這一現(xiàn)象會使電動機的電能利用率很低， 功率因數(shù)下降很多， 相應多占有很多無功功率。RTG采用AFE2000控制系統(tǒng)后，電動機平均功率因數(shù)由工頻運行狀態(tài)的0.7提高到（-1）1 ， 減少了無功損耗。從而大大減小了供電電流，減輕了電網(wǎng)和變壓器的負擔， 降低了線損。
圖4 AFE不投入與投入時功率因素對比
降低諧波干擾。RTG改裝AFE2000控制系統(tǒng)后，原變頻控制電源諧波電流含量從25%~35%降至3%以下，典型諧波5、7、11、13、17次消除到幾乎可以忽略程度，綠化RTG的配電系統(tǒng)，保證了供電質(zhì)量。
圖5 AFE不投入與投入時電流畸變率對比
4 某港口的電能質(zhì)量治理方案
臺達對該碼頭RTG安裝AFE2000后，進行單機試驗測試跟蹤：
圖6 測試、安裝位置
測試方法：
海側(cè)吊具↓↑——吊具至陸側(cè)——陸側(cè)吊具↓↑——大車行走兩個集裝箱距離——返回原地——陸側(cè)吊具↓↑——吊具至海側(cè)——海側(cè)吊具↓↑。
以上全部動作為一個循環(huán)。
空載連續(xù)進行六個循環(huán)、帶約20T集裝箱連續(xù)進行六個循環(huán)。
通過FLUKE435II型電能質(zhì)量測試儀器對RTG低壓總進線柜進行監(jiān)測，數(shù)據(jù)如表1和表2所示。
表1 單機實測能耗對比表
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AFE
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時間（min）
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耗電量（kWh）
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作業(yè)箱量(TEU)
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每TEU單耗（kWh）
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空載
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投入
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30
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19.48
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12
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1.623
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未投入
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30
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25.69
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12
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2.141
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帶載
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投入
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36
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27.55
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12
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2.296
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未投入
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36
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41.6
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12
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3.467
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表2 單機實測電能質(zhì)量對比表
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AFE
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不投入
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投入
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空載
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電壓諧波
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約6%
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約2%
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電流諧波
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約30%
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約2.5%
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功率因素
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上升時約0.93，下降時約0.73
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0.99
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帶載
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電壓諧波
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約5.5%
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約2%
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電流諧波
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約18.5%
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約2.5%
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功率因素
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上升時約0.93、下降時約0.73
|
0.99
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治理前后數(shù)據(jù)對比說明：
節(jié)能效果計算如下：
空載時：（25.69-19.48）/25.69=24.17%；
帶載時：（41.6-27.55）/41.6=33.78%；
電壓、電流畸變率均≤5%，滿足GB/T 14549-93規(guī)定；
功率因數(shù)≥0.95。
采用AFE治理后效果：
（1）進行AFE改造后節(jié)能效益明顯，預計平均節(jié)能效果在30%左右，極大的提高了企業(yè)的生產(chǎn)效益；
（2）進行AFE改造后功率因素改善明顯，保證系統(tǒng)功率因數(shù)0.95以上，
（3）進行AFE改造后電網(wǎng)諧波改善明顯，電流畸變率均由25%~35%下降至5%以內(nèi)，減少諧波電流帶來的相關損耗；
（4）配電系統(tǒng)變壓器、銅排、電纜等關鍵電氣設備溫度明顯下降，提高了電氣設備的使用壽命。
5 港口行業(yè)電能質(zhì)量治理的意義
應用臺達有源前端AFE2000控制系統(tǒng)，不僅能降低能耗，還能調(diào)節(jié)電網(wǎng)質(zhì)量，這些都為設備的安全運行生產(chǎn)提供了有利的安全保障，并且營造了真正的綠色用電氛圍，這也充分地體現(xiàn)了臺達集團環(huán)保、節(jié)能、愛地球的經(jīng)營理念。而且采用該類設備能很好的響應國家提出的節(jié)能減排口號，符合國家倡導的可持續(xù)發(fā)展的政策。
6 參考文獻
[1] 石英.基于DSP的能量回饋調(diào)速系統(tǒng)計算機技術(shù)與自動化，2001，20（3）：27-30
[2] 劉清山，輪胎式集裝箱門式起重機節(jié)能技術(shù)研究綜述物流工程三十年技術(shù)創(chuàng)新發(fā)展之道
[3] 劉鳳君，多電平逆變技術(shù)及其應用 機械工業(yè)出版社，2007：25-61
[4] 能源部電力科學研究院，等起草.GB/T 14549-93 電能質(zhì)量 公用電網(wǎng)諧波[S].北京：中國標準出版社，1994
作者簡介
唐萬琪，男，生于1982年1月，畢業(yè)于上海電力學院，電力系統(tǒng)及其自動化專業(yè)�，F(xiàn)任臺達集團——中達電通股份有限公司節(jié)能應用產(chǎn)品處高級應用工程師，從事電能質(zhì)量產(chǎn)品開發(fā)、規(guī)劃和營銷，具有9年從事電能質(zhì)量產(chǎn)品的行業(yè)經(jīng)驗。
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