基于超級電容儲能系統的電梯微網電壓波動控制策略研究

陳 霞，陳 耀，高 健，徐 悅，劉洪晴，王 震

(山東科技大學 電氣與自動化工程學院，山東 青島 266590)

基于超級電容儲能系統的電梯微網電壓波動控制策略研究

陳 霞，陳 耀，高 健，徐 悅，劉洪晴，王 震

(山東科技大學 電氣與自動化工程學院，山東 青島 266590)

針對電梯超級電容(SC)能量回饋系統(ERS)，設計了基于雙模糊控制器與傳統控制系統相結合的控制策略。兩個模糊邏輯控制器(FLC)根據電網電壓變化與充放電電流紋波，在線調整直流母線給定電壓，并將調整的直流母線給定電壓作為傳統電壓電流雙閉環控制給定電壓，作用于DC-DC變換器。仿真結果表明，這種控制策略能夠降低電網能量消耗，提高電梯能量利用率。

超級電容；電梯；模糊控制器；DC-DC變換器

隨著現代城市建筑群的不斷增加，電梯作為高層建筑群的主要運輸工具，其數量正在迅速增長。在整個建筑耗能中，電梯耗能遠高于其他用電設備，占到整個建筑業耗能的5%～15%，所以雖然電梯給人們的生活帶來了方便，也帶來了能源消耗方面的問題。在電梯中，制動產生的能量通過制動電阻消耗掉，雖保護了能量回饋電路，但造成了能量浪費[1-2]。目前對能量回饋研究主要有兩種：一種是使用并網逆變器將多余能量回饋并網，可由獨立PWM逆變器并聯在整流器或采用雙向PWM整流器實現；另一種方法為直流儲能，將雙向DC-DC變換器掛接在直流母線，回饋能量時將多余能量儲存在儲能元件中，耗能時再將能量釋放到直流母線上利用。由于回饋并網電能難以保證與公共網的相位與頻率相同，易對電網產生干擾，因此主要研究第二種能量回饋方式。

超級電容(supercapicitor，SC)因與一般化學電池相比，儲能原理和外特性具有典型的電容特性，在充放電過程中，電壓近似成線性增長和減少，適用于頻繁應用的大功率充放電場合[3]。隨著超級電容技術不斷發展，將超級電容應用于電梯節能，已成為當前新的研究方向。通過閱讀和研究國內外文獻，發現很多研究忽略了電網電壓波動對超級電容儲能系統的影響[4]。傳統非隔離型雙向DC-DC電路的超級電容儲能系統，常采用直流母線電壓外環、電感電流內環的控制策略，主要用于抑制充放電電流紋波，但忽略了電網電壓變化對儲能系統影響[5]。文章[6]將傳統非隔離型雙向DC-DC電路應用于電梯制動能量回收系統(energy recovery system，ERS)中，并加入了模糊控制器(fuzzy logic controller，FLC)作用于控制系統，也未考慮電網電壓波動對儲能系統的影響。

基于上述研究，本文在傳統控制方法基礎上，設計了兩個模糊控制器，即電壓和電流模糊控制器。根據電梯的運行狀態，模糊邏輯控制器根據反饋，在線調整直流母線給定電壓，作用于儲能模塊。搭建仿真模型對比傳統方法和模糊控制方法下的儲能系統節能效果，仿真結果表明，加入模糊控制方法能抑制電網電壓波動對儲能系統的影響，提高儲能系統節能效率。

圖1 SC儲能式電梯能量回收系統結構圖

圖2 電梯運行時能量流動狀態

1 系統結構組成和能量流動

基于超級電容儲能式電梯能量回收系統結構圖如圖1所示，其包括轎廂、超級電容儲能系統、制動電阻電路、電機變頻器和電機。超級電容儲能系統作為能量儲存系統，由SC模塊和雙向DC-DC變換電路組成，與直流母線并聯，實現能量的存儲與釋放；系統保留制動電阻電路作為保護電路，與直流母線連接；電機變頻器作為電機驅動與電梯永磁同步電機連接。

根據電梯運行方向與負載情況，消耗能量或產生能量。有如圖2所示四種能量流動狀態：(a)為當電梯處于耗能時，電梯運行所需要能量由電網與超級電容儲能系統提供；(b)為在超級電容被充滿時或停電時獨自給電梯供電；(c)為電梯電機制動時，產生制動能量由超級電容儲能系統吸收；(d)為當超級電容充滿時，通過制動電阻電路消耗多余能量。

2 電梯制動能量回收系統控制策略

2.1 能量回收系統控制單元

在傳統系統中，直流母線給定電壓是固定的，其值比變換器直流母線電壓值高。當電網交流側電壓恒定不變時，超級電容儲能系統可以獲得期望運行模式；當電網交流側電壓變化時，雖然超級電容儲能系統仍然能夠吸收電梯制動能量和提供能量，卻容易受到沖擊并增加電網能量消耗。特別是，當電網交流側電壓增大時，直流母線給定電壓低于變流器直流輸出電壓，盡管超級電容被充滿電可以給電梯電機供電，電梯所需要能量主要由電網提供。當電網交流側電壓減少時，電網需要提供額外能量去跟蹤直流母線給定電壓。

圖3 模糊控制系統單元

圖4 直流母線電壓給定算法流程圖

2.2 模糊控制器

為了實現直流母線給定電壓在線調整，本文采用專家經驗法根據電梯運行的實際情況，設計了模糊控制器，其包括電壓和電流模糊控制兩個模塊[12]。

If (error is VL) then (Out_1 is VS)

If (error is L) then (Out_1 is S)

If (error is N) then (Out_1 is M)

If (error is H) then (Out_1 is B)

If (error is VH) then (Out_1 is VB)

圖6為模糊邏輯控制設置和每個信號對應的函數。

表1 SC電流模糊控制規則表

模糊控制規則結構如表1所示。

1) 當電梯電機處于電動狀態時，直流母線電壓應該增加，PI控制器用來控制，使超級電容模塊給電梯提供最大能量。

2) 當電梯電機處于制動狀態時，直流母線電壓應該減小，超級電容模塊能量吸收率最大。

3) 當電梯處于空閑模式時，直流母線電壓設置在中間值。

3 基于超級電容的雙向DC-DC變換器

將通過模糊控制單元調整后的直流母線給定電壓，作用于DC-DC變換器的雙閉環控制中，完成超級電容的充放電。為了減小電流紋波延長超級電容使用壽命，變換器在儲能過程中的作用尤為重要。

圖5 電網電壓模糊控制器函數

圖6 電流模糊控制器函數

從電梯儲能裝置對電壓增益要求與成本方面考慮，選擇非隔離雙向DC-DC變換器。本文將超級電容等效為一個理想電容Csc與等效電阻Rep并聯后再串聯等效電阻Res[13]。雙向DC-DC變換器儲能系統電路模型如圖7所示[14]。

設超級電容電壓上下閥值：Vmax、Vmin，為了提高SC充電效率，防止充電和放電過度造成SC壽命縮短，超級電容電壓的上下閥值的關系如式(1)，上下閥值電壓的比值系數為D。

Vmin=DVmax,D≥0.5。

(1)

超級電容能量存儲系統可存儲最大功率通過式(2)獲得。

(2)

根據超級電容電壓閥值Vmax與Vmin，SC儲能系統最大吸收與釋放功率滿足式(3)。

圖7 DC-DC變換器電路模型

(3)

對于雙向DC-DC變換電路，選取合適的電感L有利于控制充電電流紋波，L可由式(4)計算獲得。

(4)

式中：P為超級電容最大有功功率；f2為開關頻率；D2取變換器工作在Boost電路模式下開關管Ts最小占空比[15]。

為了避免超級電容儲能系統過熱，影響能量存儲容量和操作時間，必須控制超級電容電流紋波[16]。電流紋波在DC-DC變換器模式下計算公式為(5)。

(5)

由公式(5)可以看出，L和Ts是給定值，Vdc可以用來減小超級電容電流紋波ΔIsc。因此，直流母線電壓Vdc根據電梯運行狀態進行調整，作為傳統電壓電流雙閉環控制給定電壓，減小超級電容電流紋波，保護超級電容。

4 仿真與分析

本文在simulink中搭建超級電容儲能系統仿真模型，該模型主要由DC-DC變換器電路、 模糊控制器，PI控制器和超級電容等部分組成，如圖8所示。對模糊控制方法下超級電容充放電進行仿真驗證。仿真參數見表2。

圖8 超級電容儲能系統模型

電梯系統采用4.5kW永磁同步電機，超級電容模塊儲能系統存儲最大容量40.4kJ，DC-DC電路載波頻率為20kHz。電梯系統仿真參數見表3。

表2 儲能系統參數

表3 電梯系統參數

圖9 直流母線電壓

圖9和圖10為系統模擬電梯重載下行、上行時，在電網電壓增加5%的情況下，傳統控制與模糊控制模式下對應的仿真波形，分別對應電梯運行制動、空閑和電動三種狀態：

1) 1～6s期間電梯為制動狀態。首先對圖9中的直流母線電壓波形圖進行分析，可看出模糊控制狀態下直流母線電壓有跳變，因此模糊控制器起到了抑制電網電壓波動的作用；其次通過對比圖10中傳統和模糊控制下的超級電容充放電電壓圖可知，在傳統控制方法下充電電壓最低點289V電壓升高至347V，斜率為11.6，電壓升高了58V，在模糊控制方法下充電電壓最低點291V最高點350V，斜率為11.8，電壓升高了59V。由此可以看出模糊控制模式下超級電容充電效率大于傳統模式下。

2) 6～7s期間電梯為空閑狀態，圖10中在傳統控制方法下電壓為穩定值345V，在模糊控制方法下電壓為穩定值347V，可以看出在模糊控制方法下電壓穩定值相對于傳統方法較高。

3) 7～12s電梯為電動狀態。同樣首先對比圖9中的直流母線電壓波形，可看出模糊控制狀態下直流母線電壓有跳變，模糊控制器起到了抑制電網電壓波動的作用；其次通過對比圖10中的超級電容充放電電壓可知，在傳統控制方法下放電曲線斜率為-14，電壓放電前為345V，放電后變為275V，相比電壓降低了70V，在模糊控制方式下放電曲線斜率為-15.5，電壓放電前為347V，放電后變為270V，相比電壓降低了77V。由此可以看出模糊控制模式下超級電容放電效率大于傳統模式。

圖10 超級電容充放電電壓

通過以上對儲能系統傳統控制方式與模糊控制方式比較可以看出，在電動狀態時模糊控制方式下超級電容能夠回饋更多的能量，同樣在制動過程中模糊控制方式下超級電容能夠吸收更多的制動能量，減少能量浪費，因此模糊控制方式下超級電容充放電量和充電速率都大于傳統方式，提高超級電容充放電的效率。

5 總結

在傳統超級電容儲能控制系統基礎上，針對電網電壓波動導致的超級電容充放電效率降低的問題進行了研究分析和改進，在原儲能系統的基礎上增加兩個模糊控制器。通過仿真結果表明：雙模糊控制策略能夠減小電梯微網中的電壓波動對電梯儲能系統影響，提升超級電容的儲能供能效率，同時對能量回饋系統起到較好地保護作用，進一步優化了電梯制動能量回收系統，更好滿足電梯節能需求。

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(責任編輯：傅 游)

Control Strategy of Elevator Micro-grid Voltage Fluctuation Based on Supercapacitor Energy Storage System

CHEN Xia, CHEN Yao, GAO Jian, XU Yue, LIU Hongqing, WANG Zhen

(College of Electrical Engineering and Automation, Shandong University of Science and Technology, Qingdao, Shandong 266590, China)

Focusing on the control strategy of supercapacitor (SC) energy recovery system (ERS) in the elevator, this paper proposed a control strategy based on the combination of double fuzzy controller and traditional control system. According to the power grid voltage change and the charging and discharging current ripple, two fuzzy logic controllers (FLC) adjusted the given DC bus voltage online, and the adjusted given DC bus voltage was applied to DC-DC converter as the given voltage of the traditional voltage current double closed-loop control. Simulation results show that the control strategy can reduce the grid’s power consumption and improve the elevator energy utilization.

supercapacitor; elevator; fuzzy controller; DC-DX converter

2016-07-04

山東科技大學研究生科技創新項目(YC150344)

陳 霞(1968—)，女，山東青島人，副教授，主要從事電力電子技術、電力系統及其自動化等方面研究. E-mail：sdkdcx@126.com 陳 耀(1989—)，男，山東泗水人，碩士研究生，主要從事電力電子與電力傳動、超級電容充放電等方面研究，本文通信作者.E-mail：727116182@qq.com

TM921

A

1672-3767(2017)05-0072-08

10.16452/j.cnki.sdkjzk.2017.05.011