淺談節能型電梯與智能電網的銜接

上海三菱電梯有限公司 徐衛玉 吳國良

0 引言

隨著社會的不斷進步、經濟的持續發展、科技水平的逐步提高以及全球資源和環境問題的日益突出，電網發展面臨著新的挑戰。依靠現代的信息技術、先進的電力電子技術和智能的控制技術，積極發展智能型電網，適應未來可持續發展，已成國際電網發展的現實選擇。現代大電網具有拓撲復雜的物理結構和形式多變的運行方式，使得電網的監護和協調控制難度大大增加，而可再生能源發電使整個電網的運行增加了新的不確定因素。特別是隨著分布式發電和儲能設備的推廣應用，使許多傳統意義上的負荷演變為新型的“負荷兼電源”，更增加了電網系統監護和協調控制的難度。因此在負荷中心建立微型電網模式的新型終端電網，將當地電源與負荷結合起來統一進行協調控制，就成為分布式發電并網的一種新思路。微型電網能夠做到獨立組網、自治運行，所有負荷可以優先由當地分布式電源分擔，這使得微型電網在大電網崩潰或發生意外災害的情況下能夠維持對重要用戶的供電，減輕大面積停電帶來的嚴重后果。電梯作為中國現代都市生活的重要組成部分，已經不再僅僅是人們上下移動的工具，而是從最為基本的便捷性，延伸到環保、安全、舒適等眾多與社會發展和市民生活息息相關的領域。隨著人們對電梯能耗的關注越來越大，“節能+再生”已成為電梯行業發展潮流。節能型電梯的能量回饋技術有著鮮明的技術特點，探討節能型電梯與智能電網的銜接有著深遠的現實意義。

1 智能電網

智能電網并沒有一個確定的概念，美國、歐洲和中國都從不同角度闡述了智能電網的內涵，并且隨著研究和實踐的深入對其不斷細化。天津大學余貽鑫院士給出如下定義[1]：智能電網是指一個完全自動化的供電網絡，其中的每一個用戶和節點都得到實時監控，并保證從發電廠到用戶端電器之間的每一點上的電流和信息的雙向流動。智能電網通過廣泛應用的分布式智能和寬帶通信，以及自動控制系統的集成，能保證市場交易的實時進行和電網上各成員之間的無縫連接及實時互動。目前，國際上電網的發展可概括為兩大趨勢：一是統一或聯合的特高壓電網，中國是統一或聯合的特高壓電網發展趨勢的主要代表；另一個是以歐洲為主要代表的分布式發電與交互式供電的分散智能電網，其電網發展模式是向交互式供電、分布式發電的分散智能電網過渡，側重強調對環境的保護和支持可再生能源發電的發展，這是引領國際電網發展的另一大趨勢。我國的智能電網是以特高壓主干網為基礎的，但也極其重視與分布式電源相關的關鍵技術的研究。分布式電源的種類很多，包括風能發電、太陽能發電、柴油發電機組、燃料電池和儲能裝置（如節能型電梯、超級電容器和鈉硫蓄電池等）。大量分布式電源并網有可能造成電力系統不穩定、不安全和不可控，從而影響電網安全運行，所以分布式發電面臨著許多質疑和技術障礙。微型電網就是為充分發揮分布式電源的優勢、消除分布式電源對電網的沖擊和負面影響而提出的一種新的分布式電源組織方式和結構。微型電網通過建立一種全新的理念，來解決分布式電源并網帶來的安全隱患。通過將相鄰的微型電源系統、儲能裝置和負荷裝置結合起來進行協調控制，微型電網對配電網而言表現為性能穩定、品質良好的單個可控系統，它可與配電網進行雙向能量交換，在配電網發生故障時可單獨運行。

2 節能型電梯的能量回饋技術

電梯作為現代都市生活的重要組成部分，已經越來越被人們所熟知。特別是近幾年來投入運行的電梯數量迅猛增加，人們對于電梯能耗的關注程度也越來越大。截止2008年年底，全國在用電梯達115萬臺，且保持著每年20%的遞增速度。按照公認的統計數據，每臺電梯平均日耗電約40kWh，則全國電梯每天耗電約4600萬kWh，能源消耗是非常巨大的。

我國環境污染和能源危機所帶來的緊迫感日益增強，節能環保行動正在每一個生產和生活領域中積極展開。電梯生產企業競相推出了符合時代潮流的節能型電梯。電梯節能的途徑主要有兩類：一是提高電梯的運行效率，這主要體現在永磁同步無齒輪曳引機和交流變壓變頻調速技術的推廣應用。二是將電梯已轉換到負載上的勢能和動能再次反變換成電能回饋電網再生利用，使電梯在單位時間內消耗的電網電能下降，從而達到節能的目的。運行中的電梯有時處于電動狀態，有時處于發電狀態。電梯處于發電狀態有兩種狀況：一是 電梯到達目標層前，由最高速逐步減速直到停止運動的過程中，電梯釋放系統動能的時段。二是電梯是勢能性負載，電梯負載由載客轎廂和對重平衡塊組成，對重平衡塊重量等于轎廂自重加轎廂載重量的50%。轎廂與對重平衡塊重量不平衡時，重量重的一側下行時系統勢能將釋放重新轉換為電能。先進的能量回饋技術主要有兩類：一是交-交直接變頻結構的矩陣變頻技術，二是交-直-交間接變頻結構的PWM可控整流-PWM可控逆變技術。矩陣變頻是一種基于可控的雙向開關的電力變換，其名字來源于它的矩陣狀拓撲結構。目前最有實用價值、也是研究得最多的是如圖1所示的單級三相輸入、三相輸出的矩陣變頻。通過對圖1中矩陣變頻的九個雙向開關進行嚴格的邏輯控制，就可實現頻率與電壓的變換，向負載提供頻率與電壓可調的電源。矩陣變頻能直接進行頻率變換，沒有中間儲能環節，基于矩陣變頻的電梯驅動系統具有如下優點：

1）可四象限運行。矩陣變頻采用了一級能量變換，使用雙向開關，改變開關的動作次序就能夠實現電梯曳引機的四象限運行，實現電動與再生狀態的轉換，并且輸出電壓、頻率寬范圍可調。

2）輸入功率因數可調。輸入功率因數正負可調，其值甚至可調節至逼近于±1，而且輸入的功率因數與輸出的功率因數無關聯。

3）結構簡單，利于硬件集成，易于模塊化。矩陣變頻本身無直流母線環節以及雙向開關采用模塊化方式，可以大大簡化系統結構，這樣整個功率電路可制成體積小且能量密度高的交交變壓變頻傳動電源，并且整個系統的預期壽命不再受電容器壽命的限制。

4）有助于電梯控制柜小型化，減小電梯機房面積或利于無機房電梯控制柜在井道中的布置。

雖然矩陣變頻有許多的優點，但其換流困難、雙向開關功率模塊技術還不是很成熟并且成本高，使得矩陣變頻還沒有在電梯行業大規模應用。盡管如此，矩陣變頻有著無與倫比的優勢，在電梯行業有著良好的發展前景，將是電梯行業變壓變頻技術發展的趨勢之一。

交-直-交間接變頻結構的PWM可控整流-PWM可控逆變技術這幾年在電梯行業有了迅猛發展，各大電梯制造企業順應時代潮流紛紛推出了各自的采用該項技術的能量回饋型電梯。目前成熟應用的能量回饋型電梯可分為兩種類型，一是簡易能量回饋型電梯，電梯在電動狀態時，依然采用不可控整流方式，功率因數和電流波形不可調。電梯僅在發電狀態時，使用外掛的能量回饋裝置將泵升能量回饋到電網。簡易能量回饋型電梯僅是使用能量回饋裝置替代了能耗電阻，其控制方式沒有根本變化，因此具有易開發、成本低等優點，在中小型電梯制造企業中得到了廣泛應用。二是完全能量回饋型電梯，電梯無論是在電動狀態還是在發電狀態，整流都處于PWM可控狀態。通過對電壓和電流的全閉環控制，保證電源側電流的波形為完美的正弦波，最大限度地減少了電梯對于電網的諧波污染，使得電梯真正成為名符其實的綠色產品。典型的PWM可控整流－PWM可控逆變結構如圖2所示，整個系統由PWM可控整流和PWM可控逆變兩部分通過直流電容相連接而構成。當電梯工作在電動狀態時，PWM整流器起到整流作用，負責將電網交流電進行整流，得到電容兩端的直流電；當電梯工作在發電狀態時，PWM整流器起到回饋作用，負責將電梯產生的、聚集在直流電容上的泵升能量轉化為符合并網條件的交流電，回饋給電網，以保持直流側電壓的相對恒定，同時使得電網側電流波形和功率因數均為可控。完全能量回饋型電梯控制復雜、成本高，但其有著良好的社會效益，體現了企業的社會責任感，因此大型電梯制造企業的能量回饋型電梯大都采用此方案。經過在用電梯的實測比較，能量回饋型電梯可以比不可控整流的非能量回饋型變壓變頻調速電梯節能30%以上。由于電梯的能耗與運行工況有著密切的關系，圖3為電梯在各種工況下的節能率。

在實際運行的同一規格電梯（2.5m/s、1350kg，17層站）上，我們測得了如下的節能效果：傳統的電梯一周耗電826kWh，能量回饋型電梯一周耗電625kWh。除去兩種類型電梯共同有的待機控制用功耗，實際電梯的節能約為30%。根據住宅樓典型應用的用電實測,傳統的非能量回饋型變壓變頻調速電梯每天每臺耗電約 37.7kWh（以兩臺 1.75m/s、1050kg、27層/27站該類型電梯實測為例），而采用能量回饋技術后，實際平均可節能30%以上。若全國在用115萬臺電梯全部采用能量回饋技術，則每年可節約電能47.5億kWh。由此可見，電梯的節能意義重大。

3 節能型電梯與智能電網的銜接

節能型電梯作為分布式儲能裝置的重要組成之一，具有波動性和間歇性的特點，會對電網的供電品質造成一定程度的沖擊。另外大量的節能型電梯并于配電網上運行，將可能改變傳統配電系統單向潮流的特點，這客觀要求配電系統采用新的技術方案。最主要的表現之一在于電能計量儀表必須滿足電能雙向潮流的需要。這恰恰是智能電網能解決的問題之一：構建具有智能判斷與自適應能力的多種能源并網和分布式管理的智能化網絡系統，其可對電網與用戶用電信息進行實時監控和采集，并采用最經濟安全的輸配電方式將電能輸送給終端用戶，實現對電能的最優利用，提高電網運營的安全性和能源利用效率。微型電網是這一問題的具體解決方案之一，圖4所示的是以一座大中型工廠為例的微型電網系統結構。

微型電網的核心技術之一是能量管理系統，它可實現微型電網系統決策分析、能量管理的分散自治控制、電能質量控制、與上級配電網的并網及電能交易控制、分布式電源或儲能裝置接入及優化運行控制、雙向通信、負荷調節、雙向電量計費、節能管理等功能，因此可根據用戶的不同用電需求為其定制具有個性化的節能、經濟運行的能源管理方式。微型電網通過高級的能量管理系統可把節能型電梯無縫集成到電網中協調運行，這可帶來巨大的經濟效益，也可提高電網系統的可靠性和效率，如無功支持、電能質量改善等。

節能型電梯與微型電網的銜接主要有兩個方面，一是根據微型電網的要求實時向能量管理系統傳送電梯信息，為能量管理系統的決策提供數據支持。這些電梯信息主要包括：電梯當前使用功率、功率因數、電能質量（電壓、電流、頻率）；預測的電梯下一步使用功率、功率因數、電能質量（電壓、電流、頻率）；電梯設備運行狀況和控制策略；電梯在緊急事件中的角色定位等。二是根據微型電網的要求接收能量管理系統的電網信息，并根據電網信息和自身運行狀況作出相應調整。這些調整主要包括：功率因數調整，為電網提供無功支持；電梯延時啟動，避免電網中電機類設備同時啟動所造成的電網過負荷；電梯變速運行（先進的電梯已具備可變速能力，如三菱電梯的可變速電梯）和群控策略調整，兼顧電網負荷平衡和電梯運行效率；電梯在緊急事件中根據電網狀態調整使用模式等。

4 結論

由于各個國家國情各不相同，各國對智能電網的認識理解和研究重點并不相同，但利用現代的信息技術、先進的電力電子技術和智能的控制技術來實現電網的智能化已成為普遍的共識。微型電網為分布式電源的并網提供了新思路，但這是一項長期的系統性工程，需要有相應的政策法規密切配合。節能型電梯與智能電網的結合將產生巨大的社會效益，但目前這還依賴于分布式電源并網標準的建立和實施。因此立足于我國電網的自身特點和技術水平，參考國外研究成果，盡快構建智能電網的技術體系和框架，特別是智能電網用戶端的整體規劃，是關系到國家可持續發展的戰略問題。

[1]余貽鑫，欒文鵬.智能電網[J].電網與清潔能源，2009，25(1)：7-11.