一種低成本電梯節(jié)能控制技術(shù)

冷文學(xué)(中國石油天然氣股份有限公司遼河油田分公司高升采油廠 遼寧 盤錦 124125)

一、引言

電梯在制動(dòng)時(shí)會(huì)產(chǎn)生大量能量，傳統(tǒng)上通常采用兩種方案進(jìn)行處理。一種是采用制動(dòng)電阻消耗，這種方案會(huì)造成能量的巨大浪費(fèi)[1]；另一種是采用先進(jìn)的逆變技術(shù)將這部分能量回饋到電網(wǎng)[2]，但是這種方案或多或少地會(huì)對電網(wǎng)產(chǎn)生諧波污染，并且用戶無法向電網(wǎng)賣電，甚至回饋電網(wǎng)的電也要收費(fèi)，用戶無節(jié)能收益，積極性不高。

近年來，基于能量存儲(chǔ)的節(jié)能系統(tǒng)被提出，這種類型的節(jié)能系統(tǒng)在電梯曳引機(jī)處于制動(dòng)狀態(tài)時(shí)存儲(chǔ)能量而在曳引機(jī)處于電動(dòng)狀態(tài)時(shí)釋放能量。天津大學(xué)的萬健如提出將超級電容組作為存儲(chǔ)裝置經(jīng)過接觸器直接并聯(lián)到變頻器直流母線上。其方案的缺點(diǎn)在于超級電容放電時(shí)其工作電壓要在母線電壓之上，導(dǎo)致超級電容串聯(lián)單體數(shù)目過多，成本高。文獻(xiàn)[3-5]中提出了基于“雙向DC/DC+超級電容”結(jié)構(gòu)的電梯節(jié)能系統(tǒng)，取得了良好的節(jié)能效果，但這種拓?fù)湓谶x擇超級電容時(shí)還是基于吸收全部的電梯制動(dòng)能量，仍然具有成本高的缺陷。

以上所提出的方案多需要大容量的電池/超級電容以獲得足夠的存儲(chǔ)空間，因此成本普遍很高。在此基礎(chǔ)上，本文提出了一種既有雙向DC/DC和超級電容，又有制動(dòng)電阻的新型電梯節(jié)能系統(tǒng)。該節(jié)能系統(tǒng)僅需要小容量的超級電容，因此具有成本低的優(yōu)勢。

二、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

超級電容通過Buck-boost型雙向DC/DC并聯(lián)到直流母線，解決了超級電容電壓與直流母線電壓不匹配的問題，所需配置的超級電容容量小，造價(jià)低。制動(dòng)電阻通過制動(dòng)單元并聯(lián)在變頻器直流母線，吸收了超級電容無法回收的回饋能量。

三、成本分析

為了方便分析計(jì)算，本文中涉及的電梯工況均按如下給出：電梯轎廂質(zhì)量1200kg，額定載重量1000kg，對重質(zhì)量1700kg，速度1.75m/s，加速度0.8m/s2，加加速度1.8m/s3，樓高30m，10層。電梯按照圖2所示的情況運(yùn)行：頂層到次頂層電梯運(yùn)行1層；次頂層到中間層運(yùn)行3層；中間層到次底層運(yùn)行4層；次底層到底層運(yùn)行1層，在此基礎(chǔ)上循環(huán)運(yùn)行。開機(jī)前進(jìn)行5min的自檢，其他樓層間歇時(shí)停6s方便乘客進(jìn)出轎廂。

本文中電梯壽命按10-15年計(jì)算。電費(fèi)價(jià)格pe按照民用電0.55元/度計(jì)算，市場上超級電容的價(jià)格pc為120元/k J，雙向DC/DC價(jià)格pD為400元/kw，制動(dòng)電阻價(jià)格pR為60元/kw。給定負(fù)載工況下電梯曳引機(jī)產(chǎn)生的最大尖峰功率為12.77kw，據(jù)此雙向DC/DC和制動(dòng)電阻功率pD、pR都選為13kw。

1.傳統(tǒng)方案的成本分析

按照超級電容能夠吸收一個(gè)循環(huán)工況下的全部制動(dòng)能量原則匹配超級電容時(shí)，應(yīng)遵循最大原則，即超級電容至少應(yīng)該能夠吸收0%負(fù)載工況下的全部能量w0%。用戶購置節(jié)能設(shè)備成本p1為：

代入數(shù)值得到p1=13138(元)。

2.本文提出方案的成本分析

按照本文提出的超級電容只吸收一個(gè)循環(huán)工況下的部分制動(dòng)能量，其他能量由制動(dòng)電阻消耗的原則匹配超級電容。在節(jié)能系數(shù)為k的條件下，用戶購置節(jié)能設(shè)備成本p2為：

代入數(shù)值得到p2=5334k+5980(元)。

3.兩種方案對比分析

從兩方案的成本函數(shù)p1、p2中容易看出，當(dāng)節(jié)能系數(shù)從0到1變化時(shí)，p2始終小于p1，說明本文提出的方案與傳統(tǒng)方案相比，具有成本上的優(yōu)勢。注意，本文中當(dāng)k=1時(shí)，并不代表匹配的超級電容能夠回收全部能量，而是能夠吸收平均能量(88.9k J)。所以按照本文提出的方案匹配的超級電容肯定要比傳統(tǒng)方案中的規(guī)格小，價(jià)格低。

四、仿真分析

當(dāng)電梯曳引機(jī)處于制動(dòng)狀態(tài)并且超級電容電壓未達(dá)到上限時(shí)，雙向DC/DC工作于降壓模式，為超級電容充電。在此過程中如果出現(xiàn)超級電容滿電的狀況，則將制動(dòng)電阻切入到電路中消耗過剩能量。

當(dāng)曳引機(jī)處于電動(dòng)狀態(tài)并且超級電容電壓未降至下限時(shí)，雙向DC/DC工作于升壓模式，超級電容放電。如果超級電容電能釋放到下限，則雙向DC/DC停止工作，由電網(wǎng)為曳引機(jī)供電。

超級電容組工作電壓在135-270V，在曳引機(jī)電動(dòng)時(shí)提供曳引機(jī)所需功率，直至放電至電壓下限。假設(shè)超級電容組電壓在循環(huán)工況開始前為220V，由曳引機(jī)輸出轉(zhuǎn)速及轉(zhuǎn)矩波形、超級電容充放電電流及端電壓波形、曳引電機(jī)功率波形與電網(wǎng)輸出功率波形關(guān)系可以看出，超級電容在電動(dòng)初始狀態(tài)時(shí)提供全部能量，其余能量由電網(wǎng)提供，節(jié)能效果明顯；發(fā)電狀態(tài)時(shí)回收了部分回饋能量，其余能量在制動(dòng)電阻上消耗掉。

五、結(jié)論

本文分析了現(xiàn)有電梯節(jié)能典型技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)，設(shè)計(jì)了既能實(shí)現(xiàn)電梯節(jié)能目的，仿真結(jié)果表明該系統(tǒng)的節(jié)能效果明顯。

[1]劉博宇.基于超級電容的電梯節(jié)能控制系統(tǒng)研究與設(shè)計(jì)[D].南京：南京理工大學(xué).2010:1-1.

[2]冷增祥.有源逆變器用于電梯節(jié)能[J].電源技術(shù)應(yīng)用,2007(07):9-11.