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摘 要：在起重机运转过程中，负载起升之后下降，其中，向下运动主要是依靠负载的机械势进行驱动。为了确保下降时充分安全与稳定，传统的起重机通常采用升降机驱动电机以生成电能，然后通过能耗电阻消耗，实现能耗制动。但是，在传统起重机系统设计中，可以引进储能机构，回收闲置势能，提供相对健全的驱动装置，从而实现节能目标。飞轮储能系统主要是利用电力电子转换器与工作电机，转换电能成为机械能力，并利用同步电机驱动飞轮高速旋转，自行输入能量，由自己的动能储存并转化为机械能。在飞轮达到规定限值时，电机则开始处于能量维持状态。当能量释放时，飞轮的高速旋转转化为能量驱动的电机旋转，促使电机演变成为发电机输出能量，以电力电子转换器进行输出，从而实现能量的转换。据此，本文主要以飞轮储能为基础的起重机势能回收技术进行了详细分析。
关键词：飞轮储能；起重机；势能回收技术
一、飞轮储能系统的优势
（一）充电发电速度快
就接受的电网侧调节信号，直接到飞轮储能系统给予反应，时间非常短，而且在既定时间以内，实现系统充电和放电作业，与电网短时响应、调节需求相符，充电与放电时间比较快。
（二）工作效率比较高
一般情况下，飞轮储能系统的工作效率几乎能达到90%，与抽水蓄能、蓄电池储能相比较分析，优势十分突出，并且利用磁浮悬轴承的飞轮储能系统，工作效率相对较高，几乎达到95%。
（三）节能环保无污染
受机械储能影响，飞轮储能系统一般不会排放对环境造成污染的物质，属于环境友好型的绿色储能技能。
（四）使用寿命相对较长
飞轮储能系统价格比较贵，然而设计较好，所以，平均维护成本相对较低，充电与发电次数具有明显优势，可以达到百万数量级别，而且免维护的时间大约在10a以上。不仅如此，飞轮储能系统还具备一定的模块性，建设时间比较短，不会产生较大的事故后果影响。
二、以飞轮储能为基础的起重机势能回收系统设计
本文以轮胎式起重机为例进行了分析。起重机常用于港口码头，间歇性和周期性十分显著。在运转过程中，起重机循环将负载起升下降，但是因为需要人工作为辅助，有效的工作时间比较少。而起重机额定负载较高，在运行过程中，质量产生较大程度上的波动。起重机需要在短期内启动、制动，瞬时功率很大。在此运行工况下，起重机在运转时，依旧会残留大量的能量，造成浪费。
首先，在负载下降的时候，闲置势能难以及时回收并加以利用，从而导致不能形成循环。而且起重机工作周期较短，负载的升降运行十分反复。其重量几乎能够达到几十吨位以上，所以，在下放重物的时候，会产生大量势能，因此，可以向系统实时反馈实际情况，并据此作为可再生能量进行循环利用。但是，传统起重机的设计没有做好全面考察，使得能量浪费严重。其次，发动机的功率配置较高，空耗也很大。为了进一步满足不同的恶劣状况，尤其是港口作业，起重机发动机的功率很大，但在实际运行中，平均所需功率却微不足道，能耗非常严重。对于轮胎式起重机来讲，由于始终处于特殊的运作工况下，具有间歇性和周期性，实际上其运作的时间并不多，大多数情况都是被闲置。所以，配置大功率发动机所产生的空耗太大，可以很好地实现节能。
在港口贸易快速发展的推动，以及轮胎式起重机的广泛应用下，传统轮胎起重机动力系统已经无法适应时代发展要求。就实际情况分析而言，起重机的节能优化关键就在于发动机的运行效率与势能反馈回收。就势能回收来讲，通过对动力系统进行改造，增加了储能装置，以此推动起重机的运行时，可以及时回收被闲置的势能，而且在负载上升的时候，及时向运行电机进行势能输入。总而言之，此方式有效实现了起重机动力系统结构的优化，提高了其性能，确保轮胎式起重机具备充足性能的基础上，实现节能减排的环保目标。
根据具体情况进行分析，起重机的起升结构与变幅机构能够在很大程度上实现节能。对此，将储能机构安装在起升调幅机构的工作支路上，选择飞轮储能系统，以便于及时回收和利用所浪费的能耗电阻能。以飞轮储能为基础的起重机势能回收系统结构如图1所示。
图1起重机势能回收系统结构
其中，发电机组为系统提供能量，而工作电机和反馈发电机则应该选用直流电机。工作电机则是以输出动力的形式，驱动负载。在电机出现下降的时候，其被转换为反馈发电机，这时储能系统开始发挥作用，不断回收势能。在储能系统能量上升到限定值的时候，向工作电机输出电能，以此实现节能。
三、以飛轮储能为基础的起重机势能回收系统仿真
就飞轮储存电池充电进行仿真，其关键在于调速控制永磁同步电机。想要缩减建模工作任务，构建了仿真模型，并把其工总状态设置为理想状态，避免了其中会产生的不必要损失。具体仿真参数为：永磁同步电机极对数为4，定子绕组电感为1.015mH，定子电阻为2.875Ω，电机的转动惯量为0.8g·m2，永磁体磁链为0.175Wb，给定转速为1500r/min，摩擦系数为0，仿真时间设定为0.2s，电机空载启动。
受速度调节器的不良影响，飞轮电机不断输出最大转矩，促使电机在短时间内，可以达到给定转速的相关标准。电机三相电流与转矩呈正相关，峰值电流约为50A，飞轮电机转速上升到给定转速后，在给定转速1500r/min时，转速在短时间内是稳定的。这意味着电机的转速稳定之后，飞轮电池不会再继续充电，储能系统也会保持在一个能量不变的状态中。在起重机势能反馈中融入飞轮电池模型，对其工况进行详细分析，利用串励直流电机。载荷下降时，处于他励回馈制动状态。利用飞轮电池充电模型，对反馈条件进行模拟，以此进行仿真分析。通过结果分析可知，飞轮电机的转速随时间的增加而增大。在转速可以达到3500r/min的时候，速度则会在既定范围内产生波动。这就代表飞轮储能系统可以将闲置的势能及时回收，以此实现节能环保目标。然而，模型的调节性能还需要不断完善和优化。
结语
总而言之，在负载下降过程中，直流电机在恒压下转换为发电机，并持续发电，电能可作以无源三相逆变器为载体，由永磁同步电动机吸收，转化为自身动能。在此过程中，呈现了一定的稳定性与迅速性，这就说明以飞轮储能为基础的起重机能够有效回收闲置的势能。
参考文献
[1]吴鸣，牛萌，刘海军，等.飞轮储能关键技术与工程应用研究[C]//中国科协年会第15分会场-大规模储能技术的发展与应用研讨会.2011.
[2]马骏毅，巴宇，赵伟，等.飞轮储能的关键技术分析及研究状况[J].智能电网，2017，5（1）：9-16.
[3]周波，庞利宝，何浩.轮胎式起重机能耗分析及势能回收研究[J].港口装卸，2016（6）：32-35.
[4]杨欣.利用飞轮储能的能量回收型液压升降系统研究[J].液压与气动，2012（3）：27-30.
[5]张超平.基于飞轮储能的钻机节能减排技术应用研究[J].石油天然气学报，2013，35（8）：156-158.
（作者单位：1.江苏龙源振华海洋工程有限公司；
2.西伯瀚（上海）海洋装备科技有限公司）
关键词：飞轮储能；起重机；势能回收技术
一、飞轮储能系统的优势
（一）充电发电速度快
就接受的电网侧调节信号，直接到飞轮储能系统给予反应，时间非常短，而且在既定时间以内，实现系统充电和放电作业，与电网短时响应、调节需求相符，充电与放电时间比较快。
（二）工作效率比较高
一般情况下，飞轮储能系统的工作效率几乎能达到90%，与抽水蓄能、蓄电池储能相比较分析，优势十分突出，并且利用磁浮悬轴承的飞轮储能系统，工作效率相对较高，几乎达到95%。
（三）节能环保无污染
受机械储能影响，飞轮储能系统一般不会排放对环境造成污染的物质，属于环境友好型的绿色储能技能。
（四）使用寿命相对较长
飞轮储能系统价格比较贵，然而设计较好，所以，平均维护成本相对较低，充电与发电次数具有明显优势，可以达到百万数量级别，而且免维护的时间大约在10a以上。不仅如此，飞轮储能系统还具备一定的模块性，建设时间比较短，不会产生较大的事故后果影响。
二、以飞轮储能为基础的起重机势能回收系统设计
本文以轮胎式起重机为例进行了分析。起重机常用于港口码头，间歇性和周期性十分显著。在运转过程中，起重机循环将负载起升下降，但是因为需要人工作为辅助，有效的工作时间比较少。而起重机额定负载较高，在运行过程中，质量产生较大程度上的波动。起重机需要在短期内启动、制动，瞬时功率很大。在此运行工况下，起重机在运转时，依旧会残留大量的能量，造成浪费。
首先，在负载下降的时候，闲置势能难以及时回收并加以利用，从而导致不能形成循环。而且起重机工作周期较短，负载的升降运行十分反复。其重量几乎能够达到几十吨位以上，所以，在下放重物的时候，会产生大量势能，因此，可以向系统实时反馈实际情况，并据此作为可再生能量进行循环利用。但是，传统起重机的设计没有做好全面考察，使得能量浪费严重。其次，发动机的功率配置较高，空耗也很大。为了进一步满足不同的恶劣状况，尤其是港口作业，起重机发动机的功率很大，但在实际运行中，平均所需功率却微不足道，能耗非常严重。对于轮胎式起重机来讲，由于始终处于特殊的运作工况下，具有间歇性和周期性，实际上其运作的时间并不多，大多数情况都是被闲置。所以，配置大功率发动机所产生的空耗太大，可以很好地实现节能。
在港口贸易快速发展的推动，以及轮胎式起重机的广泛应用下，传统轮胎起重机动力系统已经无法适应时代发展要求。就实际情况分析而言，起重机的节能优化关键就在于发动机的运行效率与势能反馈回收。就势能回收来讲，通过对动力系统进行改造，增加了储能装置，以此推动起重机的运行时，可以及时回收被闲置的势能，而且在负载上升的时候，及时向运行电机进行势能输入。总而言之，此方式有效实现了起重机动力系统结构的优化，提高了其性能，确保轮胎式起重机具备充足性能的基础上，实现节能减排的环保目标。
根据具体情况进行分析，起重机的起升结构与变幅机构能够在很大程度上实现节能。对此，将储能机构安装在起升调幅机构的工作支路上，选择飞轮储能系统，以便于及时回收和利用所浪费的能耗电阻能。以飞轮储能为基础的起重机势能回收系统结构如图1所示。
图1起重机势能回收系统结构
其中，发电机组为系统提供能量，而工作电机和反馈发电机则应该选用直流电机。工作电机则是以输出动力的形式，驱动负载。在电机出现下降的时候，其被转换为反馈发电机，这时储能系统开始发挥作用，不断回收势能。在储能系统能量上升到限定值的时候，向工作电机输出电能，以此实现节能。
三、以飛轮储能为基础的起重机势能回收系统仿真
就飞轮储存电池充电进行仿真，其关键在于调速控制永磁同步电机。想要缩减建模工作任务，构建了仿真模型，并把其工总状态设置为理想状态，避免了其中会产生的不必要损失。具体仿真参数为：永磁同步电机极对数为4，定子绕组电感为1.015mH，定子电阻为2.875Ω，电机的转动惯量为0.8g·m2，永磁体磁链为0.175Wb，给定转速为1500r/min，摩擦系数为0，仿真时间设定为0.2s，电机空载启动。
受速度调节器的不良影响，飞轮电机不断输出最大转矩，促使电机在短时间内，可以达到给定转速的相关标准。电机三相电流与转矩呈正相关，峰值电流约为50A，飞轮电机转速上升到给定转速后，在给定转速1500r/min时，转速在短时间内是稳定的。这意味着电机的转速稳定之后，飞轮电池不会再继续充电，储能系统也会保持在一个能量不变的状态中。在起重机势能反馈中融入飞轮电池模型，对其工况进行详细分析，利用串励直流电机。载荷下降时，处于他励回馈制动状态。利用飞轮电池充电模型，对反馈条件进行模拟，以此进行仿真分析。通过结果分析可知，飞轮电机的转速随时间的增加而增大。在转速可以达到3500r/min的时候，速度则会在既定范围内产生波动。这就代表飞轮储能系统可以将闲置的势能及时回收，以此实现节能环保目标。然而，模型的调节性能还需要不断完善和优化。
结语
总而言之，在负载下降过程中，直流电机在恒压下转换为发电机，并持续发电，电能可作以无源三相逆变器为载体，由永磁同步电动机吸收，转化为自身动能。在此过程中，呈现了一定的稳定性与迅速性，这就说明以飞轮储能为基础的起重机能够有效回收闲置的势能。
参考文献
[1]吴鸣，牛萌，刘海军，等.飞轮储能关键技术与工程应用研究[C]//中国科协年会第15分会场-大规模储能技术的发展与应用研讨会.2011.
[2]马骏毅，巴宇，赵伟，等.飞轮储能的关键技术分析及研究状况[J].智能电网，2017，5（1）：9-16.
[3]周波，庞利宝，何浩.轮胎式起重机能耗分析及势能回收研究[J].港口装卸，2016（6）：32-35.
[4]杨欣.利用飞轮储能的能量回收型液压升降系统研究[J].液压与气动，2012（3）：27-30.
[5]张超平.基于飞轮储能的钻机节能减排技术应用研究[J].石油天然气学报，2013，35（8）：156-158.
（作者单位：1.江苏龙源振华海洋工程有限公司；
2.西伯瀚（上海）海洋装备科技有限公司）