以飛輪儲能為基礎(chǔ)的起重機(jī)勢能回收技術(shù)分析

張錦 楊朋舉 朱海峰

摘 要：在起重機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)過程中，負(fù)載起升之后下降，其中，向下運(yùn)動主要是依靠負(fù)載的機(jī)械勢進(jìn)行驅(qū)動。為了確保下降時充分安全與穩(wěn)定，傳統(tǒng)的起重機(jī)通常采用升降機(jī)驅(qū)動電機(jī)以生成電能，然后通過能耗電阻消耗，實(shí)現(xiàn)能耗制動。但是，在傳統(tǒng)起重機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，可以引進(jìn)儲能機(jī)構(gòu)，回收閑置勢能，提供相對健全的驅(qū)動裝置，從而實(shí)現(xiàn)節(jié)能目標(biāo)。飛輪儲能系統(tǒng)主要是利用電力電子轉(zhuǎn)換器與工作電機(jī)，轉(zhuǎn)換電能成為機(jī)械能力，并利用同步電機(jī)驅(qū)動飛輪高速旋轉(zhuǎn)，自行輸入能量，由自己的動能儲存并轉(zhuǎn)化為機(jī)械能。在飛輪達(dá)到規(guī)定限值時，電機(jī)則開始處于能量維持狀態(tài)。當(dāng)能量釋放時，飛輪的高速旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)化為能量驅(qū)動的電機(jī)旋轉(zhuǎn)，促使電機(jī)演變成為發(fā)電機(jī)輸出能量，以電力電子轉(zhuǎn)換器進(jìn)行輸出，從而實(shí)現(xiàn)能量的轉(zhuǎn)換。據(jù)此，本文主要以飛輪儲能為基礎(chǔ)的起重機(jī)勢能回收技術(shù)進(jìn)行了詳細(xì)分析。

關(guān)鍵詞：飛輪儲能；起重機(jī)；勢能回收技術(shù)

一、飛輪儲能系統(tǒng)的優(yōu)勢

（一）充電發(fā)電速度快

就接受的電網(wǎng)側(cè)調(diào)節(jié)信號，直接到飛輪儲能系統(tǒng)給予反應(yīng)，時間非常短，而且在既定時間以內(nèi)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)充電和放電作業(yè)，與電網(wǎng)短時響應(yīng)、調(diào)節(jié)需求相符，充電與放電時間比較快。

（二）工作效率比較高

一般情況下，飛輪儲能系統(tǒng)的工作效率幾乎能達(dá)到90%，與抽水蓄能、蓄電池儲能相比較分析，優(yōu)勢十分突出，并且利用磁浮懸軸承的飛輪儲能系統(tǒng)，工作效率相對較高，幾乎達(dá)到95%。

（三）節(jié)能環(huán)保無污染

受機(jī)械儲能影響，飛輪儲能系統(tǒng)一般不會排放對環(huán)境造成污染的物質(zhì)，屬于環(huán)境友好型的綠色儲能技能。

（四）使用壽命相對較長

飛輪儲能系統(tǒng)價(jià)格比較貴，然而設(shè)計(jì)較好，所以，平均維護(hù)成本相對較低，充電與發(fā)電次數(shù)具有明顯優(yōu)勢，可以達(dá)到百萬數(shù)量級別，而且免維護(hù)的時間大約在10a以上。不僅如此，飛輪儲能系統(tǒng)還具備一定的模塊性，建設(shè)時間比較短，不會產(chǎn)生較大的事故后果影響。

二、以飛輪儲能為基礎(chǔ)的起重機(jī)勢能回收系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本文以輪胎式起重機(jī)為例進(jìn)行了分析。起重機(jī)常用于港口碼頭，間歇性和周期性十分顯著。在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中，起重機(jī)循環(huán)將負(fù)載起升下降，但是因?yàn)樾枰斯ぷ鳛檩o助，有效的工作時間比較少。而起重機(jī)額定負(fù)載較高，在運(yùn)行過程中，質(zhì)量產(chǎn)生較大程度上的波動。起重機(jī)需要在短期內(nèi)啟動、制動，瞬時功率很大。在此運(yùn)行工況下，起重機(jī)在運(yùn)轉(zhuǎn)時，依舊會殘留大量的能量，造成浪費(fèi)。

首先，在負(fù)載下降的時候，閑置勢能難以及時回收并加以利用，從而導(dǎo)致不能形成循環(huán)。而且起重機(jī)工作周期較短，負(fù)載的升降運(yùn)行十分反復(fù)。其重量幾乎能夠達(dá)到幾十噸位以上，所以，在下放重物的時候，會產(chǎn)生大量勢能，因此，可以向系統(tǒng)實(shí)時反饋實(shí)際情況，并據(jù)此作為可再生能量進(jìn)行循環(huán)利用。但是，傳統(tǒng)起重機(jī)的設(shè)計(jì)沒有做好全面考察，使得能量浪費(fèi)嚴(yán)重。其次，發(fā)動機(jī)的功率配置較高，空耗也很大。為了進(jìn)一步滿足不同的惡劣狀況，尤其是港口作業(yè)，起重機(jī)發(fā)動機(jī)的功率很大，但在實(shí)際運(yùn)行中，平均所需功率卻微不足道，能耗非常嚴(yán)重。對于輪胎式起重機(jī)來講，由于始終處于特殊的運(yùn)作工況下，具有間歇性和周期性，實(shí)際上其運(yùn)作的時間并不多，大多數(shù)情況都是被閑置。所以，配置大功率發(fā)動機(jī)所產(chǎn)生的空耗太大，可以很好地實(shí)現(xiàn)節(jié)能。

在港口貿(mào)易快速發(fā)展的推動，以及輪胎式起重機(jī)的廣泛應(yīng)用下，傳統(tǒng)輪胎起重機(jī)動力系統(tǒng)已經(jīng)無法適應(yīng)時代發(fā)展要求。就實(shí)際情況分析而言，起重機(jī)的節(jié)能優(yōu)化關(guān)鍵就在于發(fā)動機(jī)的運(yùn)行效率與勢能反饋回收。就勢能回收來講，通過對動力系統(tǒng)進(jìn)行改造，增加了儲能裝置，以此推動起重機(jī)的運(yùn)行時，可以及時回收被閑置的勢能，而且在負(fù)載上升的時候，及時向運(yùn)行電機(jī)進(jìn)行勢能輸入?？偠灾?，此方式有效實(shí)現(xiàn)了起重機(jī)動力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，提高了其性能，確保輪胎式起重機(jī)具備充足性能的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排的環(huán)保目標(biāo)。

根據(jù)具體情況進(jìn)行分析，起重機(jī)的起升結(jié)構(gòu)與變幅機(jī)構(gòu)能夠在很大程度上實(shí)現(xiàn)節(jié)能。對此，將儲能機(jī)構(gòu)安裝在起升調(diào)幅機(jī)構(gòu)的工作支路上，選擇飛輪儲能系統(tǒng)，以便于及時回收和利用所浪費(fèi)的能耗電阻能。以飛輪儲能為基礎(chǔ)的起重機(jī)勢能回收系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1起重機(jī)勢能回收系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

其中，發(fā)電機(jī)組為系統(tǒng)提供能量，而工作電機(jī)和反饋發(fā)電機(jī)則應(yīng)該選用直流電機(jī)。工作電機(jī)則是以輸出動力的形式，驅(qū)動負(fù)載。在電機(jī)出現(xiàn)下降的時候，其被轉(zhuǎn)換為反饋發(fā)電機(jī)，這時儲能系統(tǒng)開始發(fā)揮作用，不斷回收勢能。在儲能系統(tǒng)能量上升到限定值的時候，向工作電機(jī)輸出電能，以此實(shí)現(xiàn)節(jié)能。

三、以飛輪儲能為基礎(chǔ)的起重機(jī)勢能回收系統(tǒng)仿真

就飛輪儲存電池充電進(jìn)行仿真，其關(guān)鍵在于調(diào)速控制永磁同步電機(jī)。想要縮減建模工作任務(wù)，構(gòu)建了仿真模型，并把其工總狀態(tài)設(shè)置為理想狀態(tài)，避免了其中會產(chǎn)生的不必要損失。具體仿真參數(shù)為：永磁同步電機(jī)極對數(shù)為4，定子繞組電感為1.015mH，定子電阻為2.875Ω，電機(jī)的轉(zhuǎn)動慣量為0.8g·m2，永磁體磁鏈為0.175Wb，給定轉(zhuǎn)速為1500r/min，摩擦系數(shù)為0，仿真時間設(shè)定為0.2s，電機(jī)空載啟動。

受速度調(diào)節(jié)器的不良影響，飛輪電機(jī)不斷輸出最大轉(zhuǎn)矩，促使電機(jī)在短時間內(nèi)，可以達(dá)到給定轉(zhuǎn)速的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。電機(jī)三相電流與轉(zhuǎn)矩呈正相關(guān)，峰值電流約為50A，飛輪電機(jī)轉(zhuǎn)速上升到給定轉(zhuǎn)速后，在給定轉(zhuǎn)速1500r/min時，轉(zhuǎn)速在短時間內(nèi)是穩(wěn)定的。這意味著電機(jī)的轉(zhuǎn)速穩(wěn)定之后，飛輪電池不會再繼續(xù)充電，儲能系統(tǒng)也會保持在一個能量不變的狀態(tài)中。在起重機(jī)勢能反饋中融入飛輪電池模型，對其工況進(jìn)行詳細(xì)分析，利用串勵直流電機(jī)。載荷下降時，處于他勵回饋制動狀態(tài)。利用飛輪電池充電模型，對反饋條件進(jìn)行模擬，以此進(jìn)行仿真分析。通過結(jié)果分析可知，飛輪電機(jī)的轉(zhuǎn)速隨時間的增加而增大。在轉(zhuǎn)速可以達(dá)到3500r/min的時候，速度則會在既定范圍內(nèi)產(chǎn)生波動。這就代表飛輪儲能系統(tǒng)可以將閑置的勢能及時回收，以此實(shí)現(xiàn)節(jié)能環(huán)保目標(biāo)。然而，模型的調(diào)節(jié)性能還需要不斷完善和優(yōu)化。

結(jié)語

總而言之，在負(fù)載下降過程中，直流電機(jī)在恒壓下轉(zhuǎn)換為發(fā)電機(jī)，并持續(xù)發(fā)電，電能可作以無源三相逆變器為載體，由永磁同步電動機(jī)吸收，轉(zhuǎn)化為自身動能。在此過程中，呈現(xiàn)了一定的穩(wěn)定性與迅速性，這就說明以飛輪儲能為基礎(chǔ)的起重機(jī)能夠有效回收閑置的勢能。

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（作者單位：1.江蘇龍?jiān)凑袢A海洋工程有限公司；

2.西伯瀚（上海）海洋裝備科技有限公司）