史俊霞
（武汉大学电气工程学院，湖北 武汉430072）
摘要：探讨了超级电容在电梯节能中的应用前景。选择合理的电梯节能系统结构，在计算完成电梯运行中的需求功率和能够将电梯单方向单程运行时回馈的最大能量吸收基础上，给出了超级电容器的设计方法。通过对某通用变频器的Simulink仿真分析，针对曳引机空载、由空载到电动状态和由空载到发电状态三种情况给出了基于超级电容的电梯节能系统基本控制策略，从而使超级电容能够实现应急电源和能量缓冲功能并且得到较高的充放电效率。通过研究显示，超级电容在大功率电器电子产品尤其是电梯产品中具有良好的应用效果和优势，其应用前景无可限量。
0引言
我国建筑物的能耗约占全国总能耗的28%左右[1]。其中电梯的用电量仅次于空调，远高于照明、供水等的用电量，电梯的能耗已经引起业界高度重视，因此电梯的节能具有非常重要的现实意义。电梯的耗电主要来自于驱动轿厢升降的曳引机，电动机拖动负载消耗的电能占总耗电量的70%以上。因此研究开发高效能的电机拖动系统，是电梯节能的关键[2]。
1电梯能量回馈技术与其特点分析
驱动系统是电梯技术中典型的运动控制系统，它控制电梯的起动、加速、恒速运行以及减速等运动方式[3]。目前驱动系统采用的成熟变频调速技术淘汰了各类交流双速驱动系统、取代了直流无齿轮驱动，不仅使电梯的运行性能更加优越，同时也有效节约了电能。如何提高驱动系统的效率已经成为电梯驱动特性应用研究的一个重要方向[4]。电梯系统在轻载上行（载重量不足额定值的一半）和重载下行（载重量超过额定值的一半时）两种状态运行时，曳引机作为发电机运行，此时发出了再生电能。作为客用电梯，在每天的正常运行中上述情况频繁发生，电梯中的能量回馈装置便有了可观的回馈电能用来回收。一般来说，电梯额定速度越快、提升高度越高，节能效果越显著，收回成本也越早，反之则节能效果不明显，收回成本时间较长，因此在低速电梯中应用较少。
采用逆变器将再生能量回馈到电网，当曳引机处于电动状态时，它与传统的交直交变频器工作方式相同；当曳引机处于发电状态时，通过左侧的逆变器将电梯再生能量回馈到电网。由于逆变PWM的脉宽调制，回馈的能量中其电流谐波畸变率约在5%～7%之间。这些高次谐波对电网及其用电设备都有不可忽视的影响，从而产生对电源、环境的电磁干扰（如增加电机铁损、铜耗，提高电机温度等）[5]。能量回馈型节能电梯已有较为成熟的技术，但因其价格因素以及对电网的影响，推广尚有一定难度。采用电池吸收回馈能量电池组通过双向DC－DC与变频器的直流母线连接，当曳引机处于电动状态时，电池进行恒流放电；当曳引机处于发电状态并且直流母线电压超过某一预设值时，电池开始充电并且充电电流可以根据曳引机回馈功率进行控制。该方案可回收能量有限，并且电池需要按期更换，虽理论上存在可行性，但应用并不广泛。
首先，电梯在正常运行中会频繁产生回馈能量，电池需要频繁深度充放电，因此将严重影响化学电池的寿命；其次，化学电池其充放电效率低，影响节能效果；再次，电梯运行中曳引机需求的峰值功率需要由电池提供一部分，回馈的电功率由电池全部吸收，但电池的比功率有限无法满足。超级电容器与直流母线直接相连吸收回馈能量超级电容器直接与变频器的直流母线连接。当曳引机处于电动状态时，超级电容按照其功率需求进行放电；当曳引机处于发电状态时，超级电容按照其回馈功率进行充电。变频器直流母线电压在513－539V之间变化，而超级电容的单体电压在2～3V之间，此结构会导致串联单体数量过多，成本高昂。
2电梯节能系统的设计
系统构成及功能要实现能量的合理流动和功率的有效分配，需要控制双向DC－DC在多种方式下工作，本课题控制电路采用DSP实现数字控制。图1为基于超级电容的电梯节能控制系统框图。系统工作由DSP控制双向DC－DC实现能量流动控制。DSP控制指令基于采集到的超级电容电流Ic、DC－DC与直流母线之间电流Ib（下标）、直流母线电压Ub、超级电容电压Uc，根据控制策略给出DC－DC变换器输出电流或电压。当超级电容充放电电流和超级电容电压超过额定值时，驱动及保护单元封锁PWM输出，双向DC－DC停止工作。当超级电容充满电并且直流母线电压超过预定值时，直流母线通过制动电阻放电。
因此设计的超级电容器的最低储能要求是能够将电梯单方向单程运行（如满载从顶楼至一楼下行）时回馈的最大能量吸收。多余的能量仍采用制动电阻消耗。超级电容另一作用是作为应急装置需要在紧急情况下提供电能，其电压在任何情况下都要保持一定数值，设其为minV。当电梯在某两层之间停止时，在超级电容能够完全放电情况下其提供的能量应满足≥654V，设楼层层高为4m，此处h取4。m为载重和轿厢的质量之和与对重的差值，即：超级电容作为回馈装置需要将极限情况下的回馈能量全部吸收，假设超级电容初始状态电压处于最低为minV，不考虑传动系统效率和其它损耗时应满足P≥S*E（1/2）maxV式中P为电梯行程S=80m时曳引机的平均回馈功率，E为总回馈能量，两者数值分别为8kW和392kJ。考虑到双向DC－DC的效率问题，电压变比不能过高，超级电容侧最高电压设定为270V；考虑到超级电容的充放电效率问题，设定minV=1/2maxV=135V。因此可以计算得到C的最小值为16.73F。
3电机处于发电状态时的控制
规则电机要求功率小于零表明曳引机此时处于发电状态，其控制规律是：当直流母线电压达到上限值并且电容电量SOC未达到最大值时超级电容开始充电。若此时超级电容已经充满，直流母线通过制动电阻进行放电。充电电流大小根据曳引机回馈功率确定。充电电流不超过充电电流额定值。列举一部分节能电梯运行工况，基于上述规则其电能流动如图2所示。其中C表示二极管整流器，I表示逆变器，S表示超级电容器。（a）图中电机处于发电状态时超级电容在充电，（b）图中电机处于电动机状态超级电容和电网供电，（c）图中超级电容在低电量时电网单独给电机供电，（d）图中电机需求功率很小或电网供电故障。基于上述规则，为了针对曳引机的运行状态得到电梯节能系统的具体的控制策略，进行了某交直交通用变频器的Simulink仿真，其原理图如图3所示。
由此可得到本节能电梯系统的具体控制方法为：曳引机处于电动状态时，判断条件为整流器输出电流超过其空载尖峰电流（需要根据实际变频器测得），此时如果超级电容电压高于135V，双向DC－DC在开始工作模式，其控制方式有两种：
（1）超级电容优先放电，对双向DC－DC进行闭环电压控制，使其输出电压恒定为三相电压整流峰值6phaseUV（phaseU是电网相电压有效值），直至超级电容器电压降至DC－DC时停止工作。
（2）超级电容进行恒流放电，其数值设定为某一恒定值I；对双向DC－DC进行闭环电流控制，直至超级电容器电压降至135V时停止工作。曳引机需求平均功率mean1P是载客重量和轿厢行程的函数，图4是满载时mean1P随行程变化的分布图，利用轿厢重量传感器和电梯选层信号可得到mean1P。I数值的确定可以依据1/mean20011（不考虑传动系统和效率），其中00401为超级电容器电压，但此种电流值确定方法需要采集电梯控制柜内多个信号，实现起来太复杂。一种简单的方法是通过实验来选取某一恒定的电流值I，如果I值过大将会影响超级电容的放电效率；反之则会使放电时间过长，未能及时泄放超级电容中存储的能量进而影响下一次回馈能量的吸收，因此I值的选取是需要在放电效率和放电时间两者之间折衷考虑的。一般，选取恒流放电方式较为合理。
4结束语
本文选择了合理的电梯节能系统结构，在计算完成电梯运行中的需求功率和能够将电梯单方向单程运行时回馈的最大能量吸收基础上，给出了超级电容器的设计方法，该方法在能够完成需要的储能任务的同时，将超级电容器的容量降到最低。通过对某通用变频器的Simulink仿真分析，针对曳引机空载、由空载到电动状态和由空载到发电状态三种情况给出了基于超级电容的电梯节能系统基本控制策略，从而使超级电容能够实现应急电源和能量缓冲功能并且得到较高的充放电效率。通过本文研究显示，超级电容在大功率电器电子产品尤其是电梯产品中具有良好的应用效果和优势，其应用前景无可限量。
参考文献：
[1]宋波.中国建筑能耗现状及节能策略[J].建设科技，2008，7（20）：18－19.
[2]孙关林，沈晓宇.节能电梯及节能效果分析[J].浙江建筑，2007，24（4）：51－52.
[3]马信.谈电梯节能对缓解全国用电紧张的贡献[J].智能建筑，2006，10（5）：45－47.
[4]黄娟丽，万杰，李少纲.电梯节能技术综述[J].能源与环境，2010，29（1）：30－31.
[5]缪步升，彭金声.推动电梯节能技术发展[J].建设科技，2009，8（2）：79－81.
下一篇：Cistom450抗氧化
上一篇：突出矿井奖励基金如何提取？