鄧 哲，周峰武，呂征宇

(1．國網浙江省電力公司電力科學研究院，浙江 杭州310014;2．浙江大學電氣工程學院，浙江 杭州310027)

1 引言

由于不可再生能源的日益短缺和環(huán)境問題的日趨嚴峻，太陽能、風能等分布式發(fā)電系統(tǒng)越來越受到重視［1-3］。而電機系統(tǒng)是重要的工業(yè)耗能設備，其耗電量約占中國整個工業(yè)耗電量的60%。因此如果能夠提高電機驅動系統(tǒng)的能量利用率可以有效達到節(jié)能的目的。

傳統(tǒng)電梯電機制動的能量全部由制動電阻消耗，這是一個極大的浪費。目前較熱門的研究集中在通過增加儲能元件回收這部分能量［4，5］，或者通過四象限變流器將制動能量回饋到電網［6，7］。但是上述研究中依然存在一些不足:如果只使用超級電容等儲能元件來回收能量，則容易受到元件容量的限制而失去回收能量的作用，同時又由于儲能元件等效串聯(lián)電阻的存在，使其在大功率下的端壓變化過大而無法充分利用儲能空間;如果只使用四象限變流器來回收能量，受到濾波器、開關器件的影響，小功率時的效率很低，造成更大浪費。

在電梯系統(tǒng)等一些注重安全的應用中，往往會有同時擁有用于后備電源的儲能元件與并網變流器。本文針對電梯系統(tǒng)的運行特點，結合超級電容儲能與四象限電壓型變流器的各自優(yōu)點，在充分利用電梯后備儲能系統(tǒng)的基礎上，提出了全新的能量回收系統(tǒng)效率優(yōu)化控制策略，從而進一步提高了能量的回收利用率。

2 系統(tǒng)結構組成

本文提出的能量回收系統(tǒng)結構組成如圖1所示。四象限電壓型變流器(VSC)與電網相連，可實現(xiàn)電網與電梯電機變頻器之間的能量雙向流動，同時也可提高網側的功率因數(shù);超級電容器組(SC)與雙向Buck-Boost變流器組成超級電容模塊，直接并聯(lián)在直流母線上，實現(xiàn)超級電容的充放電功能;超級電容組和直流母線之間用一個開關SW連接。

單體的超級電容器耐壓一般都比較低，但是通過多個超級電容器串并聯(lián)所組成的超級電容組耐壓可以達到幾百伏。根據實際應用［8，9］，本文采用耐壓是800V、容量是0.625F的超級電容組作為動態(tài)儲能設備與電梯的后備儲能，在工作前首先由雙向

圖1 能量回收系統(tǒng)結構示意圖Fig．1 Energy recovery system

Buck-Boost給電容充電。當超級電容上的電壓與直流母線上的電壓相等時充電停止，同時將開關SW閉合，這樣超級電容便并聯(lián)在母線上，從而可以在一定范圍內通過VSC直接控制電容電壓，避免了能量在Buck-Boost變流器上面的損耗，而超級電容組將完全在VSC的控制下隨著電機功率的變化來實現(xiàn)能量的回收與釋放。在電梯緊急停機而啟動后備儲能時，雙向Buck-Boost重新開始工作。

3 系統(tǒng)各部分效率分析

3.1 超級電容組單獨做能量回收時

如果不考慮超級電容能量流動的暫態(tài)過程，那么可以用如圖2所示的等效電路來描述超級電容組結構［10］。圖2中的Resr是超級電容組等效串聯(lián)電阻，Repr是超級電容等效并聯(lián)電阻，Csc是理想電容。在超級電容組充放電的時候，電流流過Resr會產生能量的損耗，降低超級電容組的效率。同時超級電容組自身也有流過Repr的漏電流產生而消耗能量。對于現(xiàn)今常用的超級電容來說，等效串聯(lián)電阻Resr很小，并聯(lián)電阻Repr很大，因此在能量交換的時候超級電容自身損耗的能量很少，效率很高。

圖2 超級電容組等效模型Fig．2 Equivalentmodel of super-capacitor

根據超級電容組等效模型，可以得到超級電容組瞬時效率的計算公式:

其中，Pdc為超級電容向直流母線輸出的功率;VscIsc為超級電容極板上的輸出功率。在推導式(1)時作了一個簡單近似，即在計算Repr耗散功率時，由于Vdc≈Vsc、Repr?Resr，所以可以用Vdc來近似代替Vsc以簡化表達式。圖3中的實線是理想狀態(tài)下超級電容的效率隨輸出功率的變化曲線。

圖3 SC模塊和VSC模塊效率與輸出功率關系曲線Fig．3 Efficiency vs．output power of SCmodule and VSCmodule

3.2 單獨VSC做能量回收時

VSC的結構圖如圖1所示，由三個IGBT橋臂和一個L濾波器組成，其損耗主要由IGBT導通損耗、開關損耗以及濾波電感上面的損耗組成。由文獻［11-13］可得到VSC的典型效率曲線如圖3中的虛線所示。需要進一步說明的是，在上述文獻中都沒有考慮電流紋波對VSC效率的影響，原因是在額定負載附近運行時的電流較大，電流紋波可以忽略不計;但是如果功率較小時電流紋波就無法忽略，這時的輸出功率很小而由電流紋波引起的電感損耗相比變得很大，所以在小功率運行時，VSC的效率會比理想狀況更低。

對比圖3中的兩條曲線可以看出，低功率運行時SC模塊的效率較高，而高功率運行時，VSC模塊的效率較高。為了實現(xiàn)效率優(yōu)化控制，這里將兩個模塊單獨運行時效率相等的功率標記為Psat。

4 效率優(yōu)化控制策略

4.1 控制策略的提出

因為SC模塊在低功率區(qū)運行效率高，而VSC模塊在高功率區(qū)運行效率高，所以本文提出讓上述兩個模塊隨著變頻器運行功率大小區(qū)域的不同而交替運行和協(xié)同運行的控制策略，其根本目標是:讓VSC模塊始終工作在效率較高的大功率狀態(tài)或者完全不工作，同時讓SC模塊盡可能地工作在效率較高的小功率狀態(tài)下。這樣，系統(tǒng)的整體效率會得到大幅提升。

圖4是變頻器工作在耗能狀態(tài)并且功率從零開始線性上升時的效率優(yōu)化控制策略示意圖。其中Psat表示在該功率處SC模塊單獨工作的效率等于VSC模塊的效率，Psw是比Psat略大的、用于過渡區(qū)切換的功率參考量，Pinv是變頻器功率，Psc是SC模塊功率，Pvsc是VSC模塊功率。從圖4看出，VSC模塊始終在高于Psat的區(qū)域工作;SC模塊始終在低于Psat的區(qū)域工作。該控制策略的具體實現(xiàn)方式為:

圖4 效率優(yōu)化控制策略示意圖Fig．4 Optimal efficiency control strategy

(1)低功率區(qū):當變頻器小功率運行時，即Pinv＜Psat，SC模塊單獨工作，而VSC模塊完全停止運行。各模塊功率大小如式(2)所示，功率曲線如圖4中的“低功率區(qū)”所示。

(2)中功率區(qū):當變頻器中等功率運行時，即Psw＜Pinv＜2Psat，VSC模塊和SC模塊共同工作，其中VSC模塊以Psw恒功率運行。各模塊功率大小如式(3)所示，功率曲線如圖4中的“中功率區(qū)”所示。

(3)高功率區(qū):當變頻器大功率運行時，即Pinv＞2Psat，VSC模塊和SC模塊共同工作，其中SC模塊以Psat恒功率運行。各模塊功率大小如式(4)所示，功率曲線如圖4中的“高功率區(qū)”所示。

(4)過渡區(qū):為了防止不同區(qū)域間切換過于頻繁而可能造成的系統(tǒng)不穩(wěn)定，同時防止VSC模塊功率變化速度過快而造成對電網的沖擊，特別增加圖4(b)中的“過渡區(qū)”，從而使功率在VSC模塊和SC模塊之間切換得更平滑。并且由于SC模塊的存在，使VSC模塊的功率等級可以大幅降低，從另一方面也減小了該系統(tǒng)對電網的沖擊。過渡區(qū)的持續(xù)時間可以根據實際需要而定，過渡時間越長則對網側的功率沖擊越小。

上述只給出了變頻器功率線性增加的情況，其他工況下只要遵循圖4的控制策略，同樣可以實現(xiàn)效率優(yōu)化的控制方式。

4.2 控制策略的實現(xiàn)

本文采用狀態(tài)機的控制方式來實現(xiàn)效率優(yōu)化控制策略。如圖5所示，狀態(tài)機共分為4個狀態(tài)，每個狀態(tài)之間如果滿足一定條件則進行切換，系統(tǒng)剛啟動時處于“低功率區(qū)”狀態(tài)。圖5中的Pmgn是滯環(huán)比較的寬度、Timer是“過渡區(qū)”切換用的計時器、Ttransit是“過渡區(qū)”的持續(xù)時間。

圖5 效率優(yōu)化控制策略狀態(tài)機Fig．5 Statemachine of optimal efficiency control strategy

各工作區(qū)的控制系統(tǒng)由VSC的電流內環(huán)和功率外環(huán)組成，如圖6所示。其中ia、ib是電網采樣電流，va、vb是電網采樣電壓，ω是電網角頻率，L是濾波電感量，vdc是直流母線電壓，isc是超級電容組流出電流。圖6(a)是電流內環(huán)控制框圖，DQ變換采用恒功率變換方式，VSC各開關管的控制采用SVPWM控制方式［14］，同時將q軸電流控制為零，使電網功率因數(shù)接近1，并且有VSC的瞬時功率表達式Pvsc=vdid。由于是雙環(huán)運行，為了使系統(tǒng)穩(wěn)定，將功率外環(huán)的調整速度遠小于電流內環(huán)。

圖6 恒功率控制框圖Fig．6 Constant power control block

圖6(b)是在“中功率區(qū)”內運行時的功率外環(huán)控制框圖。首先通過恒功率DQ變換得到電網電壓vd和電流id，從而得到電網功率Pvsc;然后與功率參考值Pvsc_ref比較后經過PI調節(jié)器得到四象限變流器的D軸參考電流id_ref，控制VSC恒功率運行。

圖6(c)是在“過渡區(qū)”和“高功率區(qū)”內運行的系統(tǒng)功率外環(huán)控制框圖。該控制方法原理上與圖6(b)是一樣的，只是因為超級電容組功率與VSC功率的控制邏輯是相反的，所以在功率參考值與實際值進行比較運算時的計算符號與圖6(b)剛好相反;同時由于超級電容組內部電壓VSC無法測量，所以采用直流母線電壓vdc代替，這樣計算出實際功率值與真實值有誤差，但是因為Resr很小，所以在計算功率的時候誤差可以忽略。

5 仿真與實驗

5.1 系統(tǒng)仿真

為驗證基于超級電容儲能與四象限電壓型變流器的電梯能量回收系統(tǒng)效率優(yōu)化控制的可行性，在Simulink平臺上進行了仿真，仿真波形如圖7所示。

根據文獻［8，9］，給出電梯電機逆變器的功率曲線如圖7(a)所示。在電機起動時有一個功率尖峰，隨后較平穩(wěn)地運行，最后停車制動時有一個較大的能量回饋功率。依照第3節(jié)提出的控制策略，設定超級電容的飽和功率為3000W，圖7(b)顯示了工作區(qū)域隨著超級電容功率的變化而進行的切換過程。圖7(c)是VSC的功率仿真曲線，可以看出為

圖7 仿真波形Fig．7 Waveforms of simulation

了提高系統(tǒng)整體效率，VSC只在功率大于3000W的時候工作，其他時間處于關閉節(jié)能狀態(tài)。圖7(d)是超級電容組的功率仿真曲線，7(e)是直流母線電壓，因為超級電容組的運行功率不超過3000W，所以整個運行周期中的直流母線電壓不會出現(xiàn)較大的變化，并且和VSC配合將制動能量完全回收。

5.2 實驗驗證

實驗中采用的超級電容組由8個超級電容單體模塊采用4個串聯(lián)再兩組并聯(lián)的方式連接組成，這樣超級電容組的耐壓和容量都得到了提升，具體參數(shù)如表1所示。

表1 超級電容組參數(shù)Tab．1 Parameters of super-capacitor

為了模擬出電梯變頻器的真實工況，根據文獻［8，9］的真實電梯變頻器負載曲線，采用雙VSC背靠背、母線并聯(lián)超級電容模塊的電路拓撲，其中的一個VSC用來模擬電梯變頻器負載，另外一個用來實現(xiàn)優(yōu)化控制策略，實驗平臺結構示意圖如圖8所示。

圖8 實驗平臺結構示意圖Fig．8 Experimental platform structure

核心控制器采用TI公司的DSP2812加裝FPGA作為IO擴展用，IGBT橋臂采用三菱模塊CM150DY-24NF，濾波電感Lm=2mH，電網入口處串聯(lián)正反向測功儀來測量系統(tǒng)功耗，超級電容飽和功率設定Psat=2000W。功率計算用的超級電容電流和VSC電流均通過采樣頻率500Hz、階數(shù)100、系數(shù)0.01的FIR濾波器進行平均值低通濾波。

實驗過程如下:

(1)通過雙向Buck-Boost給超級電容充電到不控整流電壓值，然后閉合SW開關，使超級電容和直流母線直接連通;

(2)關閉雙向Buck-Boost，打開VSC，并且將母線電壓位置定在650V;

(3)對照實驗①:按照圖9(a)的功率曲線模擬電梯變頻器負載工作，系統(tǒng)采用不控整流、不使用超級電容而直接用功率電阻泄放制動能量的工作方式，循環(huán)工作N個周期，記錄網側正向與負向功耗;

(4)對照實驗②:在與步驟(3)中負載相同的情況下，系統(tǒng)不連接超級電容而是使VSC運行在可控整流恒壓模式下［8，15］，同樣N個周期后，記錄網側正向與負向功耗;

圖9 負載最高功率6kW，單周期運行實驗波形Fig．9 6kW peak load，single-cycle operation experimtntalwaveforms

(5)對照實驗③:在與步驟(3)中負載相同的情況下，采用本文提出的效率優(yōu)化控制方式，同樣N個周期后，記錄網側正向與負向功耗。

圖9為采用本文提出的控制策略的實驗波形。

圖9(a)是通過一個四象限變流器模擬的電梯變頻器負載電流，其各個階段的特征與文獻［8，9］中的完全一樣。圖9(b)是VSC與超級電容組的電流波形，可以看到在本文提出的控制策略下超級電容的電流被限制在一定范圍內，而VSC模塊則關閉或者電流被限制在較高值。由于使用了大時間常數(shù)的FIR濾波器，各電流的紋波均已被濾除，增強了系統(tǒng)穩(wěn)定性。對比圖9(c)的母線電壓與文獻［5］可以看到，由于對超級電容功率做了限制，每個運行周期的母線電壓沒有出現(xiàn)文獻［5］中的較大波動，從而使超級電容能夠更加有效地吸收制動能量、提高回收利用率。

不同負載下不同控制方法的實驗能耗結果見表2。表中的“負載峰值”是指負載波形如圖9(a)不變的情況下的最高功率峰值;“凈耗能”是實驗結束時測功儀總的正向功率與負向功率的差;“節(jié)能”百分比計算公式為(P1－P2-3)/P1，其中P1是對照實驗①的凈耗能，P2-3是對照實驗②和③的凈耗能，如果為正表示更節(jié)能，如果為負表示更耗能。

表2 節(jié)能實驗數(shù)據Tab．2 Data of energy-saving experiments

表2中各對照實驗數(shù)據表明，如果僅僅使用VSC來回收制動能量，則在低功率下不僅不節(jié)能而且會使能耗增加;采用本文提出的效率優(yōu)化控制策略，實現(xiàn)了在全功率范圍內節(jié)能的目的，大幅度提升了能量回收系統(tǒng)整體的效率。

6 結論

本文提出的電機能量回收系統(tǒng)效率優(yōu)化控制策略將超級電容儲能元件與電壓型并網變流器充分結合在一起，通過統(tǒng)一的控制策略使系統(tǒng)總是運行在最節(jié)能的狀態(tài)中，實現(xiàn)了系統(tǒng)整體的效率優(yōu)化，降低了系統(tǒng)損耗。最終的仿真及實驗證明，該系統(tǒng)比單一使用電壓型變流器能量回收系統(tǒng)的效率提高了2.7%～23.2%。

［1］王斯然，周霞，姚文熙，等(Wang Siran，Zhou Xia，Yao Wenxi，et al．)．鋰電池能量回收系統(tǒng)的進網電流優(yōu)化控制技術(Grid current regulation of grid-connected Lithium battery power recovery system)［J］．浙江大學學報(工學版)(Journal of Zhejiang University(Engineering Science))，2011，45(5):809-814，824．

［2］章丹艷，吳曉波，趙夢戀，等(Zhang Danyan，Wu Xiaobo，Zhao Menglian，et al．)光伏電池最大功率點跟蹤芯片的設計(Integrated circuit design for solar cell maximum power point tracking)［J］．浙江大學學報(工學版)(Journal of Zhejiang University(Engineering Science))，2009，43(11):2000-2005．

［3］Sangmin J，Youngsang B，Sewan C，et al．A low cost utility interactive inverter for residential fuel cell generation［J］．IEEE Transactions on Power Electronics，2007，22(6):2293-2298．

［4］Attaianese C，Nardi V，Tomasso G．High performances supercapacitor recovery system for industrial drive applications［A］．Applied Power Electronics Conference and Exposition，2004．APEC'04．Nineteenth Annual IEEE［C］．2004．1635-1641．

［5］王司博，韋統(tǒng)振，齊智平(Wang Sibo，Wei Tongzhen，Qi Zhiping)．超級電容器儲能的節(jié)能系統(tǒng)研究(Energy saving system based on supercapacitor)［J］．中國電機工程學報(Proceedings of the CSEE)，2010，30(9):105-110．

［6］單任仲，肖湘寧，尹忠東，等(Shan Renzhong，Xiao Xiangning，Yin Zhongdong，etal．)．能量回饋型電力電子負載的控制方法(Controlmethod of energy feedback power electronic load)［J］．中國電機工程學報(Proceedings of the CSEE)，2010，30(18):62-66．

［7］刁利軍，劉志剛，郝榮泰，等(Diao Lijun，Liu Zhigang，Hao Rongtai，et al．)．能量回饋式PWM整流器并網的工程設計方法(Engineering design techniques of energy-fed PWM rectifier connected to ACmains)［J］．電工技術學報(Transactions of China Electrotechnical Society)，2005，20(11):75-79．

［8］洪小圓(Hong Xiaoyuan)．基于永磁同步電機的電梯運動控制研究(Research on elevator motion control based on permanentmagnet synchronousmotor)［D］．杭州:浙 江 大 學(Hangzhou:Zhejiang University)，2012．

［9］瞿博(Qu Bo)．帶超級電容的饋能型電梯能量管理研究(Research on regenerative elevator with supercapacitor-based energy storage system)［D］．杭州:浙江大學(Hangzhou:Zhejiang University)，2010．

［10］Spyker R L，Nelms R M．Classical equivalent circuit parameters for a double-layer capacitor［J］．IEEE Transactions on Aerospace and Electronic Systems，2000，36(3):829-836．

［11］胡建輝，李錦庚，鄒繼斌，等(Hu Jianhui，Li Jingeng，Zou Jibin，et al．)．變頻器中的IGBT模塊損耗計算及散熱系統(tǒng)設計(Losses calculation of IGBT module and heat dissipation system design of inverters)［J］．電工技術學報(Transactions of China Electrotechnical Society)，2009，24(3):159-163．

［12］馬柯(Ma Ke)．逆變器效率提升方案研究(Research on schemes to improve the power inverter's efficiency)［D］．杭州:浙江大學(Hangzhou:Zhejiang University)，2010．

［13］李敏(LiMin)．光伏交網逆變器效率優(yōu)化研究(The study on efficiency optimazation of grid-connected PV inverter)［D］．杭州:浙江大學(Hangzhou:Zhejiang University)，2011．

［14］徐德鴻(Xu Dehong)．電力電子系統(tǒng)建模及控制(Modeling and control of power electronic systems)［M］．北京:機械工業(yè)出版社(Beijing:China Machine Press)，2006．