電梯儲能系統(tǒng)的設(shè)計與研究

姚可維

（廣東省特種設(shè)備檢測研究院， 廣東廣州 510655）

0 引言

電梯節(jié)能在提高建筑能效方面的重要性越來越受到重視。然而，對節(jié)能的全面研究仍在進行中。最近，通過能量回收實現(xiàn)節(jié)能的電梯系統(tǒng)備受關(guān)注， 其中最具吸引力的解決方案是連接到電梯驅(qū)動器直流鏈路的儲能系統(tǒng)，其中回收存儲的能量， 可用于降低峰值負載或為其他設(shè)備供電。 本文提出了一種用于電梯應(yīng)用的基于超級電容器的儲能系統(tǒng)， 該系統(tǒng)由一個六相交錯式直流變壓器和一個超級電容器組組成。根據(jù)某現(xiàn)有電梯的參數(shù)，建立了仿真模型， 比較了一個運行周期內(nèi)帶有和不帶有該電梯儲能系統(tǒng)的能耗，驗證了本電梯儲能系統(tǒng)的良好節(jié)能效果。

1 電梯系統(tǒng)建模與驗證

為了測試電梯儲能系統(tǒng)，首先對電梯系統(tǒng)建模。該儲能系統(tǒng)由變頻驅(qū)動器、電機和機械系統(tǒng)組成。電梯系統(tǒng)的仿真模型如圖1 所示。

圖1 PLECS 中的電梯系統(tǒng)仿真模型

1.1 機械系統(tǒng)

電梯機械系統(tǒng)是根據(jù)某在用的電梯數(shù)據(jù)建模的。 懸掛比為2∶1， 對重質(zhì)量為額定載重的50%加上空車質(zhì)量。假設(shè)懸索的質(zhì)量、 隨行電纜的質(zhì)量和補償繩的質(zhì)量以及它們的動力學(xué)可以忽略不計。

電機控制電梯的機械系統(tǒng)。 電機的扭矩計算如下：

式中：Tm—電機的轉(zhuǎn)矩；Ftot—牽引繩輪上的總力；R—牽引繩輪的半徑；Jtot；總轉(zhuǎn)動慣量；ω—機軸角速度；D—機械系統(tǒng)阻尼系數(shù)。

總力Ftot取決于一側(cè)載有任何乘客的轎廂與另一側(cè)載有配重的轎廂之間的重量差。 所有機械系統(tǒng)損失均由根據(jù)機械系統(tǒng)在標(biāo)稱負載下的效率估算的阻尼系數(shù)D來計算。 仿真模型的輸入信號是負載質(zhì)量（m1） 和電機的速度（ω），輸出信號為電機轉(zhuǎn)矩（Tm）。

1.2 變頻器型號

在PLECS 中建模的變頻驅(qū)動器示意圖如圖2 所示。它由三相二極管整流器、帶有電容器C4 和電感器L1 和L2的直流鏈路以及逆變器組成。電阻器R 作為電容器C4 的預(yù)充電電阻器。 由于三相二極管整流器在發(fā)電制動時不能將能量回饋給電網(wǎng)，所以該能量在連接到端子B+和B-的制動電阻上耗散。 晶體管T7 控制制動電阻的散熱。 電梯儲能系統(tǒng)（EESS）連接到+UDC 和-UDC 終端，如圖2 所示。

圖2 電梯變頻驅(qū)動器示意圖

變頻驅(qū)動器由線路電壓為400V/50Hz 的三相系統(tǒng)供電。 因此，直流總線的預(yù)期標(biāo)稱電壓為565V，但可能在500V 和800V 之間變化（取決于負載和電源條件），因為這是商用變頻驅(qū)動器的典型工作電壓。

2 儲能系統(tǒng)

本文提出的基于超級電容器（SC）的電梯儲能系統(tǒng)（EESS）由一個超級電容器（SC）組和一個六相交錯式雙向直流變壓器組成。電梯儲能系統(tǒng)的原理圖如圖3 所示。電梯儲能系統(tǒng)連接到變頻驅(qū)動器的直流總線， 能量通過雙向直流變壓器從電梯傳輸?shù)匠夒娙萜鹘M，反之亦然。超級電容器組用作能量存儲。

圖3 基于超級電容器（SC）的電梯儲能系統(tǒng)（EESS）示意圖

電梯儲能系統(tǒng)專為標(biāo)稱功率為10kW 的電梯驅(qū)動器而設(shè)計。 通過六相交錯式直流變壓器，以實現(xiàn)所需的最大輸出電流紋波，減小電感器體積并降低直流變壓器損耗。 電梯儲能系統(tǒng)仿真模型由直流變壓器、 超級電容器組和電梯儲能系統(tǒng)控制算法組成。

2.1 超級電容器組

超級電容器組的標(biāo)稱電壓通常在100V 至300V 的范圍內(nèi)[2]。考慮到變頻驅(qū)動器直流總線的標(biāo)稱工作電壓為565V， 直流變壓器的非隔離拓撲最適合4∶1 或更小的變壓比，超級電容器組的標(biāo)稱電壓為300V。 超級電容器組的工作電壓范圍通常選擇在Un/2 到Un的范圍內(nèi)， 其中Un是標(biāo)稱電壓。 這樣， 超級電容器中存儲的總能量的75% 就被使用了。因此，為超級電容器組選擇的工作電壓范圍介于直流150V 和300V 之間。

由于超級電容器電池的典型標(biāo)稱電壓在1.2V 至3.5V的范圍內(nèi)， 因此必須串聯(lián)多個超級電容器電池以形成超級電容器組。每個超級電容器單元的電容容差可以在標(biāo)稱值的±20%之間變化， 這可能導(dǎo)致串聯(lián)連接的超級電容器單元上的電壓分布不均勻， 并且超級電容器單元上的電壓高于預(yù)期電壓。 高于標(biāo)稱電壓會導(dǎo)致更高的漏電流、增加氣體和超級電容器電池的整體破壞。為了解決超級電容器上電壓分布不均勻的問題，使用平衡電路。考慮到整體模型的復(fù)雜性和超級電容器平衡電路的復(fù)雜性，采用具有相同特性的超級電容器電芯對超級電容器組進行建模。它們的串聯(lián)表示可以建模為具有更高標(biāo)稱電壓的超級電容器。

超級電容器組中存儲的可進一步使用的能量可按下式計算：

式中：Un—充電超級電容器組的標(biāo)稱電壓；C—超級電容器組的電容。經(jīng)計算，超級電容器組所需的最小電容為5.1F。

本文超級電容器組選擇的標(biāo)稱電壓為300V， 需要120 個標(biāo)稱電壓為2.7V 的超級電容器電池，每個電池的最大充電電壓為2.5V。電池所需的最小電容可以計算如下：

式中：N—串聯(lián)連接的超級電容器單元的數(shù)量；CSC_bank—超級電容器組所需的最小電容。對于本文所提出的電梯，每個電容的最小值應(yīng)為612F。 假設(shè)超級電容器組由400F電容并聯(lián)組成，以達到800F 的等效電容。當(dāng)120 個800F超級電容器串聯(lián)時，超級電容器組的標(biāo)稱電容為6.7F，比計算的超級電容器組的電容最小值大31%。

對于超級電容器組建模， 假設(shè)超級電容器組由240個400F/2.7V 并聯(lián)和串聯(lián)的電容組成。 400F 超級電容的等效串聯(lián)電阻約為3mΩ，假設(shè)兩個超級電容并聯(lián)時，等效串聯(lián)電阻為1.5mΩ。 120 對超級電容串聯(lián)時，等效串聯(lián)電阻為180mΩ。

2.2 直流變壓器

對于電梯儲能系統(tǒng)中使用的雙向直流變壓器， 存在三種常見拓撲結(jié)構(gòu)：基本降壓/升壓、交錯式降壓/升壓和雙有源橋式（DAB）[4]。 本文選擇的拓撲結(jié)構(gòu)是六相交錯式直流變壓器。使用交錯式直流變壓器，可以實現(xiàn)晶體管無開通損耗，總電感體積小于基本降壓/升壓拓撲結(jié)構(gòu)中的電感體積。通過減小直流變壓器的體積，電梯儲能系統(tǒng)可以更加緊湊并適合更緊湊的空間。 六相交錯式直流變壓器的原理圖如圖4 所示。它由六個相組成，其中每個相由一個半橋和一個電感器構(gòu)成。

圖4 六相交錯式降壓/升壓直流變壓器示意圖

對于直流變壓器的設(shè)計，必須指定工作電壓和電流。正在研究的電梯儲能系統(tǒng)的直流變壓器的工作電壓由電梯變頻器的直流母線電壓（500～800V）和超級電容器組工作電壓（150～300V）決定。 電流值由直流變壓器所需的峰值功率決定。 如果要在整個工作電壓范圍內(nèi)保持超級電容器的恒定功率，則電流必須隨電壓變化。 因此，電梯儲能系統(tǒng)中使用的直流變壓器的峰值輸出功率設(shè)置為電梯標(biāo)稱功率的80%左右。在這種情況下，這對應(yīng)于8kW 的峰值功率。 超級電容器的最大電壓為300V，這導(dǎo)致超級電容器組電流約為27A。

在仿真模型中，晶體管被建模為理想狀態(tài)，但晶體管導(dǎo)通和開關(guān)損耗是用連接到直流總線的可變電流源建模的。 考慮到所有建模損耗，直流變壓器在最大功率和600V直流總線上的效率約為95%。

交錯式直流變壓器的控制是通過控制每個相的PWM 信號之間的相移實現(xiàn)的，相移為2π/N，其中N 是相數(shù)。 在這種情況下，相移為π/3。 PI 控制器用于通過控制每相PWM 信號的占空比來控制超級電容器電流。每種模式（降壓和升壓）都有自己的PI 控制器來控制超級電容器組的充電和放電電流。 在降壓模式下，T2n晶體管（n 在1 到6 的范圍內(nèi)）關(guān)閉，而T2n-1晶體管由PWM 控制。 在升壓模式下，情況正好相反：T2n-1晶體管關(guān)閉，而T2n晶體管由PWM 控制。 在每種模式（即降壓和升壓）中，都會測量超級電容器組電流，并據(jù)此確定PWM 的占空比。 為了控制每個相位，交錯式變壓器的每個相位都有自己的PWM發(fā)生器，該發(fā)生器具有相移。由于直流變壓器必須能夠在各種模式之間切換，因此PI 控制器具有在每個模式下重置控制器積分功能的功能。

3 仿真結(jié)果

帶有電梯儲能系統(tǒng)的電梯系統(tǒng)仿真模型如圖5 所示。

圖5 帶有電梯儲能系統(tǒng)的電梯系統(tǒng)仿真模型

參考周期包括從底層到頂層和從頂層到底層運行空載電梯。 當(dāng)對重質(zhì)量等于轎廂質(zhì)量和50%對重質(zhì)量之和時， 參考周期代表電梯運行時盡可能高的再生能源生產(chǎn)（當(dāng)電梯從底層運行到頂層時）和盡可能高的能源消耗（當(dāng)電梯從頂層運行到底層時）。 因此，在參考周期期間可以實現(xiàn)高節(jié)能。

參考周期期間的速度設(shè)定點和負載曲線如圖6（a）所示。電梯首先以再生模式運行， 將能量存儲在超級電容器組中，然后以電機模式運行，能量用于電機運行。假設(shè)超級電容器組的初始電壓為200V。 電梯儲能系統(tǒng)中直流母線的參考電壓設(shè)置為600V。 結(jié)果如圖6 所示，將帶有電梯儲能系統(tǒng)的電梯系統(tǒng)與不帶有電梯儲能系統(tǒng)的電梯系統(tǒng)進行了能源消耗的比較。

圖6 參考周期的仿真結(jié)果

圖6（b） 顯示了帶有和不帶有電梯儲能系統(tǒng)的電梯系統(tǒng)的輸入功率。可以看出，電梯儲能系統(tǒng)將電網(wǎng)的峰值功率降低了約43%。此外，帶有電梯儲能系統(tǒng)的電梯系統(tǒng)的總能耗為103kJ，而不帶有電梯儲能系統(tǒng)的總能耗為215kJ。 使用電梯儲能系統(tǒng)，在參考循環(huán)期間可實現(xiàn)約52%的節(jié)能。

4 結(jié)束語

當(dāng)今社會電梯數(shù)量龐大， 實現(xiàn)電梯節(jié)能促進可持續(xù)發(fā)展。經(jīng)過以上仿真驗證，本論文所提出的帶有電梯儲能系統(tǒng)的電梯系統(tǒng)可以實現(xiàn)良好的節(jié)能效果， 有助于提高能源的利用效率，實現(xiàn)節(jié)能減排。