楊 光

(北方工業(yè)大學(xué)電力電子與電力傳動北京市工程研究中心，北京 100144)

電梯作為日常生活必需的電氣裝置，為人們帶來便利。近些年來，永磁同步電機(jī)作為電梯的曳引電機(jī)以其優(yōu)良的控制性能得到了市場的高度認(rèn)可［1－2］。而隨著能源問題的日益突出，節(jié)能已成為當(dāng)今時(shí)代的大主題。電梯是日常生活中的大型能源消耗裝置，其曳引電機(jī)工作特性為四象限運(yùn)行，當(dāng)其工作在二四象限時(shí)，會有較大的能量反饋。傳統(tǒng)做法是在直流母線端并聯(lián)耗能電阻或逆變裝置來處理反饋的能量［3－4］。本文對超級電容儲能在永磁同步電機(jī)—電梯曳引系統(tǒng)中的應(yīng)用進(jìn)行了研究，并對系統(tǒng)運(yùn)行性能和節(jié)能效果進(jìn)行了分析。

1 永磁同步電機(jī)—電梯曳引系統(tǒng)

在常見永磁同步電機(jī)—電梯曳引系統(tǒng)中，主要包括供電電網(wǎng)、變頻器、曳引電機(jī)和電梯負(fù)載等部分，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 電梯系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

電梯負(fù)載為位能性負(fù)載，當(dāng)電梯運(yùn)行于滿載上行和空載下行時(shí)，曳引電機(jī)工作在一三象限，曳引電機(jī)處于電動狀態(tài);當(dāng)電梯運(yùn)行于滿載下行和空載上行時(shí)，曳引電機(jī)工作于二四象限，曳引電機(jī)處于放電狀態(tài)，此時(shí)曳引電機(jī)會反饋回直流母線大量能量。通常的做法是將這部分反饋能量通過在直流母線并聯(lián)耗能電阻處理掉，如圖2(a)所示。對于電梯負(fù)載來說，其工作需求導(dǎo)致其將長期處于發(fā)電狀態(tài)，采用以上做法會導(dǎo)致較多能量被消耗。

針對上述問題，目前市場上的主要解決方法是通過另設(shè)逆變電路或者將系統(tǒng)前端的不控整流變?yōu)榭煽卣?，把反饋電能再次轉(zhuǎn)換成三相交流電反饋至公共電網(wǎng)，如圖2(b)和圖2(c)所示。此方法可以提高電能使用效率，有很多科研機(jī)構(gòu)和企業(yè)在這一領(lǐng)域己經(jīng)取得了一定的成果。但其缺點(diǎn)是進(jìn)行實(shí)時(shí)反饋時(shí)，反饋的能量難以保證與交流電網(wǎng)的頻率和相位保持一致，且反饋成分中的高頻部分會影響電網(wǎng)的穩(wěn)定性。針對以上情況，研究更為高效、安全、穩(wěn)定的電梯節(jié)能技術(shù)勢在必行。

圖2 常見的永磁同步電梯曳引系統(tǒng)圖

2 基于超級電容儲能的曳引系統(tǒng)

通過外帶儲能裝置對電梯曳引系統(tǒng)進(jìn)行節(jié)能控制是目前熱門的研究方向。帶有儲能裝置的永磁同步電梯曳引系統(tǒng)的具體結(jié)構(gòu)如圖3所示。其中儲能裝置和電梯系統(tǒng)之間通過雙向DC/DC變換器來實(shí)現(xiàn)能量流動。

目前儲能裝置主要有電池和超級電容兩種，與電池相比，超級電容具有以下優(yōu)點(diǎn):超級電容可以彌補(bǔ)常用蓄電池功率密度小的缺陷，對普通電容能量密度小的不足也進(jìn)行了改進(jìn)，同時(shí)超級電容充放電速度快，效率高，可靠性好。所以本文采用超級電容來實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)節(jié)能。

圖3 帶儲能裝置的永磁同步電機(jī)—電梯曳引系統(tǒng)圖

2.1 系統(tǒng)控制策略

帶有超級電容的永磁同步電機(jī)—電梯曳引系統(tǒng)的控制策略應(yīng)符合以下原則:在滿足曳引機(jī)功率需求的情況下，最大程度地發(fā)揮超級電容回收能量的能力，在曳引電機(jī)處于電動狀態(tài)時(shí)將能量釋放，實(shí)現(xiàn)節(jié)能最大化，由此，可得到系統(tǒng)控制策略如表1所示。

表1 電梯系統(tǒng)控制策略

2.2 雙向DC/DC變換器及其控制方式

本文采用非隔離型雙向DC/DC變換器，其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖4所示。該類型的變換器結(jié)構(gòu)簡單，開關(guān)管的電壓尖峰問題不嚴(yán)重，效率高，適用于大功率場合。

圖4 Buck－Boost型雙向DC/DC拓?fù)鋱D

充電時(shí)，系統(tǒng)的能量從直流母線流向超級電容，開關(guān)S1和二極管D2工作，雙向 DC－DC變換器工作在Buck狀態(tài)，負(fù)載為超級電容;放電時(shí)，系統(tǒng)的能量是從超級電容流向變頻器直流母線，開關(guān)S2和二極管D1工作，雙向DC－DC變換器工作在Boost狀態(tài)，負(fù)載為與直流母線相連的逆變器。

該變換器電路由開關(guān)器件構(gòu)成，可知其為非線性系統(tǒng)。因變換器開關(guān)頻率遠(yuǎn)高于調(diào)制頻率，所以可利用傳遞函數(shù)和線性化技術(shù)建立數(shù)學(xué)模型［5］?？紤]到電感和電容器的內(nèi)阻，其Buck電路的小信號等效電路如圖5所示。

圖5 Buck電路的交流小信號等效電路

根據(jù)圖5及此處研究的雙向變換電路，R值可認(rèn)為較大，其傳遞函數(shù)為

式中，D為圖5中變壓器變比。

Boost電路的交流小信號等效電路如圖6所示，其傳遞函數(shù)為

式中，D為圖6中變壓器變比。

圖6 Boost電路的交流小信號等效電路

由上述數(shù)學(xué)模型可知，系統(tǒng)為小阻尼二階系統(tǒng)，系統(tǒng)的穩(wěn)定裕度小，轉(zhuǎn)折頻率附近會有一定的震蕩，系統(tǒng)開環(huán)性能較差，所以為了使系統(tǒng)在各種工況條件下均能輸出穩(wěn)定的電壓和電流，控制系統(tǒng)采用電壓外環(huán)和電流內(nèi)環(huán)的雙閉環(huán)控制方式，其原理框圖如圖7所示。

圖7 雙閉環(huán)控制原理框圖

3 超級電容儲能主要參數(shù)設(shè)計(jì)

電梯系統(tǒng)的曳引電機(jī)參數(shù)已知時(shí)，可通過式(3)求得電梯運(yùn)行單個(gè)工況周期所需的能量

式中，P為曳引電機(jī)實(shí)時(shí)功率。

基于超級電容儲能能力滿足電梯運(yùn)行一個(gè)工況周期的原則，可由式(4)得到超級電容容值

式中，ρ為儲能裝置工作效率;η為節(jié)能率;Q為電梯一個(gè)工況周期所需能量。

雙向DC/DC變換器主要參數(shù)包括共用電感L和穩(wěn)壓電容C。電感L和電容C可由下式求得

式中，D是雙向DC/DC變換器的占空比，D=VC/VDC;ΔiL是電容允許通過最大電流紋波;ΔVDC是電容允許通過最大電壓紋波值;fPWM是開關(guān)管開關(guān)頻率。

4 仿真分析

本文在Matlab/Simulink環(huán)境下建立了永磁同步電機(jī)—電梯曳引系統(tǒng)的仿真模型，如圖8所示［6－8］。

圖8 帶超級電容儲能的電梯系統(tǒng)仿真模型

仿真模型中包括主回路、電機(jī)控制回路、超級電容儲能裝置3部分。由上文中超級電容計(jì)算公式可以求得給定實(shí)驗(yàn)條件下的超級電容容值。超級電容充放電效率受其SOC(荷電狀態(tài))影響，通常超級電容SOC應(yīng)＞0.5，同時(shí)一般的電容器均會有約10% ～20%的容量偏差，所以設(shè)置超級電容限值時(shí)應(yīng)充分考慮以上兩點(diǎn)。系統(tǒng)主要參數(shù)如表2所示。

表2 仿真參數(shù)

系統(tǒng)工作在額定負(fù)載運(yùn)行情況下，電梯曳引電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)如圖9和圖10所示。由圖9可知，電梯曳引電機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)速能夠較好地跟隨給定，動態(tài)過程超調(diào)＜2%，其運(yùn)行過程中轉(zhuǎn)矩輸出平穩(wěn)，穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)A相電流具有良好的正弦性，因此，該系統(tǒng)具有較好的控制性能。

圖9 電梯曳引機(jī)運(yùn)行狀態(tài)

由圖10(a)和圖10(b)可知，當(dāng)電梯上行，超級電容放電，超級電容兩端電壓下降，電流變大。當(dāng)電梯下行，超級電容充電，超級電容兩端電壓上升，電流變小，整個(gè)運(yùn)行過程，電壓電流變化較為平穩(wěn)。圖10(c)所示為超級電容輸出功率和電梯曳引電機(jī)輸出功率的對比。圖10(d)所示為系統(tǒng)運(yùn)行過程中，超級電容的能量變化與電梯曳引系統(tǒng)能量變化之間的對比。其中電梯運(yùn)行單個(gè)周期所需最大能量為5.56 kJ，該運(yùn)行過程中超級電容所吸收能量為3.27 kJ，由上可知，在忽略實(shí)際機(jī)械損耗和變頻器工作效率的情況下，整個(gè)運(yùn)行過程中系統(tǒng)節(jié)約了58.8%的能量。

5 結(jié)束語

在永磁同步電機(jī)—電梯曳引機(jī)系統(tǒng)中引入超級電容儲能環(huán)節(jié)，并通過雙閉環(huán)控制方法來實(shí)現(xiàn)超級電容的充放電。由仿真可知，系統(tǒng)動態(tài)過程轉(zhuǎn)速超調(diào)＜2%，穩(wěn)態(tài)過程轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速靜態(tài)誤差＜1%。系統(tǒng)額定負(fù)載運(yùn)行單個(gè)周期能夠節(jié)約58%的系統(tǒng)能量。仿真結(jié)果表明，該系統(tǒng)具有良好的運(yùn)行性能，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了較好的節(jié)能效果。該系統(tǒng)仍然存在一定不足，本文提出的仿真條件為系統(tǒng)工作在理想狀況下，在實(shí)際應(yīng)用中，機(jī)械損耗和變頻器工作效率等會對節(jié)能效果造成一定影響，同時(shí)電容的充放電和能耗電阻切換會在一定程度上影響電梯的速度的恒定，從而對舒適性和安全性造成影響，這些都需要在下一步工作中進(jìn)行改進(jìn)。

圖10 超級電容儲能裝置運(yùn)行狀態(tài)

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