以飛輪儲能為基礎的起重機勢能回收技術分析

張錦 楊朋舉 朱海峰

摘 要：在起重機運轉過程中，負載起升之后下降，其中，向下運動主要是依靠負載的機械勢進行驅動。為了確保下降時充分安全與穩定，傳統的起重機通常采用升降機驅動電機以生成電能，然后通過能耗電阻消耗，實現能耗制動。但是，在傳統起重機系統設計中，可以引進儲能機構，回收閑置勢能，提供相對健全的驅動裝置，從而實現節能目標。飛輪儲能系統主要是利用電力電子轉換器與工作電機，轉換電能成為機械能力，并利用同步電機驅動飛輪高速旋轉，自行輸入能量，由自己的動能儲存并轉化為機械能。在飛輪達到規定限值時，電機則開始處于能量維持狀態。當能量釋放時，飛輪的高速旋轉轉化為能量驅動的電機旋轉，促使電機演變成為發電機輸出能量，以電力電子轉換器進行輸出，從而實現能量的轉換。據此，本文主要以飛輪儲能為基礎的起重機勢能回收技術進行了詳細分析。

關鍵詞：飛輪儲能；起重機；勢能回收技術

一、飛輪儲能系統的優勢

（一）充電發電速度快

就接受的電網側調節信號，直接到飛輪儲能系統給予反應，時間非常短，而且在既定時間以內，實現系統充電和放電作業，與電網短時響應、調節需求相符，充電與放電時間比較快。

（二）工作效率比較高

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

（三）節能環保無污染

受機械儲能影響，飛輪儲能系統一般不會排放對環境造成污染的物質，屬于環境友好型的綠色儲能技能。

（四）使用壽命相對較長

飛輪儲能系統價格比較貴，然而設計較好，所以，平均維護成本相對較低，充電與發電次數具有明顯優勢，可以達到百萬數量級別，而且免維護的時間大約在10a以上。不僅如此，飛輪儲能系統還具備一定的模塊性，建設時間比較短，不會產生較大的事故后果影響。

二、以飛輪儲能為基礎的起重機勢能回收系統設計

本文以輪胎式起重機為例進行了分析。起重機常用于港口碼頭，間歇性和周期性十分顯著。在運轉過程中，起重機循環將負載起升下降，但是因為需要人工作為輔助，有效的工作時間比較少。而起重機額定負載較高，在運行過程中，質量產生較大程度上的波動。起重機需要在短期內啟動、制動，瞬時功率很大。在此運行工況下，起重機在運轉時，依舊會殘留大量的能量，造成浪費。

首先，在負載下降的時候，閑置勢能難以及時回收并加以利用，從而導致不能形成循環。而且起重機工作周期較短，負載的升降運行十分反復。其重量幾乎能夠達到幾十噸位以上，所以，在下放重物的時候，會產生大量勢能，因此，可以向系統實時反饋實際情況，并據此作為可再生能量進行循環利用。但是，傳統起重機的設計沒有做好全面考察，使得能量浪費嚴重。其次，發動機的功率配置較高，空耗也很大。為了進一步滿足不同的惡劣狀況，尤其是港口作業，起重機發動機的功率很大，但在實際運行中，平均所需功率卻微不足道，能耗非常嚴重。對于輪胎式起重機來講，由于始終處于特殊的運作工況下，具有間歇性和周期性，實際上其運作的時間并不多，大多數情況都是被閑置。所以，配置大功率發動機所產生的空耗太大，可以很好地實現節能。

在港口貿易快速發展的推動，以及輪胎式起重機的廣泛應用下，傳統輪胎起重機動力系統已經無法適應時代發展要求。就實際情況分析而言，起重機的節能優化關鍵就在于發動機的運行效率與勢能反饋回收。就勢能回收來講，通過對動力系統進行改造，增加了儲能裝置，以此推動起重機的運行時，可以及時回收被閑置的勢能，而且在負載上升的時候，及時向運行電機進行勢能輸入。總而言之，此方式有效實現了起重機動力系統結構的優化，提高了其性能，確保輪胎式起重機具備充足性能的基礎上，實現節能減排的環保目標。

根據具體情況進行分析，起重機的起升結構與變幅機構能夠在很大程度上實現節能。對此，將儲能機構安裝在起升調幅機構的工作支路上，選擇飛輪儲能系統，以便于及時回收和利用所浪費的能耗電阻能。以飛輪儲能為基礎的起重機勢能回收系統結構如圖1所示。

圖1起重機勢能回收系統結構

其中，發電機組為系統提供能量，而工作電機和反饋發電機則應該選用直流電機。工作電機則是以輸出動力的形式，驅動負載。在電機出現下降的時候，其被轉換為反饋發電機，這時儲能系統開始發揮作用，不斷回收勢能。在儲能系統能量上升到限定值的時候，向工作電機輸出電能，以此實現節能。

三、以飛輪儲能為基礎的起重機勢能回收系統仿真

就飛輪儲存電池充電進行仿真，其關鍵在于調速控制永磁同步電機。想要縮減建模工作任務，構建了仿真模型，并把其工總狀態設置為理想狀態，避免了其中會產生的不必要損失。具體仿真參數為：永磁同步電機極對數為4，定子繞組電感為1.015mH，定子電阻為2.875Ω，電機的轉動慣量為0.8g·m2，永磁體磁鏈為0.175Wb，給定轉速為1500r/min，摩擦系數為0，仿真時間設定為0.2s，電機空載啟動。

受速度調節器的不良影響，飛輪電機不斷輸出最大轉矩，促使電機在短時間內，可以達到給定轉速的相關標準。電機三相電流與轉矩呈正相關，峰值電流約為50A，飛輪電機轉速上升到給定轉速后，在給定轉速1500r/min時，轉速在短時間內是穩定的。這意味著電機的轉速穩定之后，飛輪電池不會再繼續充電，儲能系統也會保持在一個能量不變的狀態中。在起重機勢能反饋中融入飛輪電池模型，對其工況進行詳細分析，利用串勵直流電機。載荷下降時，處于他勵回饋制動狀態。利用飛輪電池充電模型，對反饋條件進行模擬，以此進行仿真分析。通過結果分析可知，飛輪電機的轉速隨時間的增加而增大。在轉速可以達到3500r/min的時候，速度則會在既定范圍內產生波動。這就代表飛輪儲能系統可以將閑置的勢能及時回收，以此實現節能環保目標。然而，模型的調節性能還需要不斷完善和優化。

結語

總而言之，在負載下降過程中，直流電機在恒壓下轉換為發電機，并持續發電，電能可作以無源三相逆變器為載體，由永磁同步電動機吸收，轉化為自身動能。在此過程中，呈現了一定的穩定性與迅速性，這就說明以飛輪儲能為基礎的起重機能夠有效回收閑置的勢能。

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（作者單位：1.江蘇龍源振華海洋工程有限公司；

2.西伯瀚（上海）海洋裝備科技有限公司）