韓偉偉， 黃紹倫， 代清友， 萬健如

(1.天津大學(xué) 電氣與自動(dòng)化工程學(xué)院，天津 300072；2.廣東省特種設(shè)備檢測(cè)研究院，廣東 廣州 510655)

基于隔離雙向DC/DC變換器的電梯節(jié)能系統(tǒng)建模與仿真

韓偉偉1， 黃紹倫2， 代清友2， 萬健如1

(1.天津大學(xué) 電氣與自動(dòng)化工程學(xué)院，天津 300072；2.廣東省特種設(shè)備檢測(cè)研究院，廣東 廣州 510655)

為了解決超級(jí)電容存儲(chǔ)型電梯節(jié)能裝置成本高的問題，將隔離雙向DC/DC變換器用于電梯節(jié)能裝置，通過小信號(hào)分析法對(duì)隔離雙向DC/DC變換器進(jìn)行分析建模，引入了電梯變頻器直流母線電壓外環(huán)、超級(jí)電容充放電電流內(nèi)環(huán)的雙環(huán)PI控制策略，克服了從直流母線電壓到超級(jí)電容電壓大變比變換難以實(shí)現(xiàn)的技術(shù)難點(diǎn)，在完成電梯回饋能量的存儲(chǔ)與再利用的同時(shí)，有效降低了電梯節(jié)能裝置的成本。并利用超級(jí)電容放電電流大的優(yōu)勢(shì)，在電梯啟動(dòng)時(shí)超級(jí)電容節(jié)能裝置提供大電流補(bǔ)償，減少了對(duì)電網(wǎng)的沖擊。通過Simulink仿真分析，驗(yàn)證了方法的有效性和可行性。

超級(jí)電容；電梯節(jié)能；隔離雙向DC/DC變換器；雙環(huán)PI控制；大變比變換

0 引 言

據(jù)中國(guó)電梯協(xié)會(huì)統(tǒng)計(jì)，截止到2013年底，中國(guó)在用電梯保有量已達(dá)到300多萬臺(tái)，僅2013年，中國(guó)電梯產(chǎn)量達(dá)63.3萬臺(tái)，占全世界產(chǎn)量的65%，而我國(guó)平均每部電梯每天的耗電量約為40 kW·h，約占整個(gè)建筑能耗的5%。另?yè)?jù)賓館、寫字樓等商業(yè)建筑的用電情況調(diào)查統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，電梯用電量已占總用電量的17%-25%[1]。電梯作為一種啟停頻率極高的垂直交通工具，重載下行和輕載上行以及制動(dòng)情況下曳引機(jī)處于再生發(fā)電狀態(tài)，具有極高的節(jié)能潛能。若對(duì)每臺(tái)在用電梯都加裝節(jié)能裝置，節(jié)能效果按20%計(jì)算，每年可節(jié)約90億kW·h的電能。因此，對(duì)電梯節(jié)能系統(tǒng)的研究具有特別重要的社會(huì)意義和經(jīng)濟(jì)效益。

現(xiàn)在國(guó)內(nèi)學(xué)者研究的電梯節(jié)能裝置，是將超級(jí)電容模組經(jīng)雙向DC/DC變換器和變頻器直流母線相連接，而所用的雙向DC/DC變換器一般為非隔離雙向DC/DC變換器，難以實(shí)現(xiàn)大變比的變換[2]，因此需要串聯(lián)疊高超級(jí)電容模組的額定電壓，造成成本成倍上升。針對(duì)這一問題，本文將隔離雙向DC/DC變換器應(yīng)用于存儲(chǔ)型電梯節(jié)能裝置，實(shí)現(xiàn)了大變比的變換，降低了所需超級(jí)電容模組的電壓，可有效降低節(jié)能裝置的成本。同時(shí)，當(dāng)曳引機(jī)啟動(dòng)時(shí)會(huì)產(chǎn)生數(shù)倍于額定電流的啟動(dòng)電流，對(duì)電網(wǎng)產(chǎn)生沖擊，本文研究的節(jié)能裝置能在電梯啟動(dòng)時(shí)提供較大的放電電流，能在一定程度上減少電梯對(duì)電網(wǎng)造成的沖擊[3]。

1 節(jié)能電梯的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及工作原理

基于隔離雙向DC/DC變換器的節(jié)能電梯拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示，超級(jí)電容通過隔離雙向DC/DC變換器與電梯變頻器直流母線相連，隔離雙向DC/DC變換器由兩個(gè)帶有反并聯(lián)二極管的單向逆變橋和高頻變壓器組成，通過控制變換器中開關(guān)的通斷來控制超級(jí)電容的充放電。

圖1 存儲(chǔ)型節(jié)能電梯拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

當(dāng)電梯處于重載下行或輕載上行時(shí)，曳引機(jī)處于再生發(fā)電狀態(tài)，回饋的電能經(jīng)變頻器逆變側(cè)反并聯(lián)二極管，回饋到變頻器直流母線上，導(dǎo)致直流母線電壓升高。當(dāng)檢測(cè)到直流母線電壓高于一定值，電流流向?yàn)閺囊芬龣C(jī)側(cè)流向直流母線側(cè)，并且超級(jí)電容電壓低于工作上限時(shí)，控制隔離雙向DC/DC變換器，直流母線給超級(jí)電容充電。若超級(jí)電容充電至工作電壓上限，則隔離雙向DC/DC變換器停止工作，超級(jí)電容停止充電。若此時(shí)電梯繼續(xù)回饋能量，則回饋的能量經(jīng)泄放電路消耗掉。

當(dāng)電梯處于重載上行或輕載下行時(shí)，曳引機(jī)處于電動(dòng)狀態(tài)，當(dāng)檢測(cè)到電流方向?yàn)橹绷髂妇€側(cè)流向曳引機(jī)側(cè)，并且超級(jí)電容電壓高于設(shè)定的工作下限時(shí)，控制隔離雙向DC/DC變換器，使超級(jí)電容向電梯供電。若超級(jí)電容放電至工作電壓下限，則隔離雙向DC/DC變換器停止工作，超級(jí)電容停止放電。若此時(shí)電梯繼續(xù)消耗能量，則消耗的能量全部來源于電網(wǎng)。

2 隔離雙向DC/DC變換器的模型分析與控制策略

由于變換器中的開關(guān)器件等非線性元件的存在，隔離雙向DC/DC變換器是一個(gè)非線性系統(tǒng)，但當(dāng)它運(yùn)行在某一個(gè)穩(wěn)態(tài)工作點(diǎn)時(shí)，仍可把它當(dāng)作線性系統(tǒng)來近似[4]，因此下面重點(diǎn)分析隔離雙向DC/DC變換電路的動(dòng)態(tài)小信號(hào)數(shù)學(xué)模型，并研究在該模型下的控制方法。BUCK與Boost模式模型類似，故僅介紹BUCK模式建模。圖2為BUCK/Boost隔離雙向DC/DC變換器主電路拓?fù)洹?/p>

圖2 隔離雙向DC/DC變換器主電路拓?fù)?/p>

隔離雙向DC/DC變換器工作在BUCK模式下時(shí)，整流/逆變電路2工作在逆變狀態(tài)，開關(guān)管T5、T8和T6、T7交替導(dǎo)通和關(guān)斷，整流/逆變電路1工作于整流狀態(tài)，開關(guān)管T1、T4和T2、T3一直處于關(guān)斷狀態(tài)。忽略超級(jí)電容并聯(lián)內(nèi)阻，R為超級(jí)電容等效串聯(lián)內(nèi)阻和電感L內(nèi)阻之和。忽略開關(guān)管壓降，穩(wěn)態(tài)時(shí)在一個(gè)開關(guān)周期內(nèi)，可得到式(1)的電壓電流方程：

(1)

(2)

在穩(wěn)態(tài)工作點(diǎn)時(shí)有：

(3)

綜合(1)、(2)、(3)式，求解得：

(4)

根據(jù)式(4)中的電感電容的電流電壓方程可得BUCK電路的等效小信號(hào)模型如圖3所示[5-6]。

圖3 BUCK模式下小信號(hào)數(shù)學(xué)模型

(5)

在一個(gè)開關(guān)周期內(nèi)，電感吸收和釋放能量相等，有功率平衡方程：

(6)

其中η為隔離雙向DC/DC變換器的效率，又:

(7)

解得：

(8)

對(duì)直流母線電壓和超級(jí)電容的充電電流的控制采取直流母線電壓外環(huán)，超級(jí)電容充電電流內(nèi)環(huán)的雙環(huán)控制，通過采樣濾波電感電流iL和直流母線電壓udc，用外環(huán)電壓誤差的控制信號(hào)去控制電流，通過調(diào)節(jié)電流使輸出電壓跟蹤參考電壓值[7]。電流內(nèi)環(huán)能擴(kuò)大逆變器控制系統(tǒng)的帶寬，使得逆變器動(dòng)態(tài)響應(yīng)加快，輸出電壓的諧波含量減小[8-9]。BUCK模式下，雙環(huán)控制的系統(tǒng)框圖如圖4所示，電壓外環(huán)采用PI調(diào)節(jié)器，使得輸出電壓波形瞬時(shí)跟蹤給定值；電流內(nèi)環(huán)也采用PI調(diào)節(jié)器跟蹤給定電流，電流調(diào)節(jié)器的比例環(huán)節(jié)用來增加逆變器的阻尼系數(shù)，使整個(gè)系統(tǒng)工作穩(wěn)定，并保證有很強(qiáng)的魯棒性[7]。

圖4 BUCK模式下雙環(huán)控制系統(tǒng)框圖

3 仿真分析

為驗(yàn)證隔離雙向DC/DC變換器應(yīng)用于電梯節(jié)能系統(tǒng)的可行性，在MATLAB/Simulink中搭建了基于隔離雙向DC/DC變換器的電梯節(jié)能系統(tǒng)模型，分別模擬了電梯重載上行、輕載下行和重載下行、輕載上行兩種電梯的典型工作過程，電梯單程運(yùn)行的時(shí)間設(shè)定為10 s，系統(tǒng)的仿真參數(shù)為：① 超級(jí)電容模組容量：83 F；② 濾波電感：1 mH；③ 直流母線濾波電容：5 000 μF；④ 直流母線電壓：510 V～680 V；⑤ 超級(jí)電容模組工作電壓范圍：70 V～90 V；⑥ 超級(jí)電容模組初始電壓：80 V；⑦ 超級(jí)電容模組等效串聯(lián)內(nèi)阻：9.6 mΩ；⑧ 曳引機(jī)額定功率：10 kW；⑨ 開關(guān)頻率：20 kHz。

3.1 重載下行或輕載上行

對(duì)隔離雙向DC/DC變換器的控制方式采用直流母線電壓外環(huán)超級(jí)電容充電內(nèi)環(huán)的雙環(huán)PI控制，其中直流母線電壓設(shè)定為580 V，外環(huán)直流母線電壓環(huán)PI參數(shù)為2,50；超級(jí)電容充放電電流最大值設(shè)定為120 A，內(nèi)環(huán)超級(jí)電容充電電流環(huán)PI參數(shù)為5, 100，曳引機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩為-50 N·m，仿真波形如圖5所示。

圖5 重載下行或輕載上行仿真波形

超級(jí)電容電壓、超級(jí)電容充電電流和直流母線電壓如圖5(a)所示，在0 s～0.5 s時(shí)，電梯處于啟動(dòng)、加速階段，曳引機(jī)處于耗能電動(dòng)狀態(tài)，并且存在數(shù)倍于額定電流的啟動(dòng)電流，此時(shí)超級(jí)電容以120 A的大電流放電，減小了電梯因啟動(dòng)電流大對(duì)電網(wǎng)造成的沖擊。0.5 s～8.2 s時(shí)，電梯處于勻速運(yùn)行狀態(tài)，電梯向超級(jí)電容回饋能量，直流母線電壓穩(wěn)定在580 V，超級(jí)電容以105 A的電流充電，并逐漸減小至95 A，超級(jí)電容電壓由78 V增至90 V。8.2 s時(shí)，超級(jí)電容充電至工作電壓上限90 V，隔離雙向DC/DC變換器停止工作，超級(jí)電容停止充電。8.2 s～10 s時(shí)，電梯繼續(xù)勻速運(yùn)行，曳引機(jī)繼續(xù)向直流母線回饋電能，當(dāng)直流母線電壓升至泄放電路工作的門限電壓600 V時(shí)，泄放電路開始工作，將回饋的電能消耗在泄放電阻上，并維持直流母線電壓為600 V。

3.2 重載上行或輕載下行

對(duì)隔離雙向DC/DC變換器的控制采用直流母線電壓外環(huán)超級(jí)電容放電電流內(nèi)環(huán)的雙環(huán)PI控制，其中直流母線電壓的給定值為535 V，外環(huán)直流母線電壓環(huán)PI參數(shù)為20,1；超級(jí)電容放電電流最大值限制為120 A，內(nèi)環(huán)超級(jí)電容放電電流環(huán)PI參數(shù)為5,1 000，曳引機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩為50 N·m，仿真波形如圖6所示。

圖6 重載上行或輕載下行仿真波形

[1] 佟丹．電梯節(jié)能認(rèn)證意義重大[N]．政府采購(gòu)信息報(bào)，2013-12-23(8).

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【作者簡(jiǎn)介】 李錦慧(1992-)，女，青海人，本科，研究方向?yàn)榭刂瓶茖W(xué)與工程。 王忠(1964-)，男，四川儀隴人，副教授、碩士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)镚PS理論及應(yīng)用、無線與移動(dòng)通信關(guān)鍵技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信理論與技術(shù)等。

Modeling and Simulation of an Elevator Energy-saving SystemBased on Isolated Bidirectional DC/DC Converter

HAN Wei-wei1，HUANG Shao-lun2，DAI Qing-you2，WAN Jian-ru1

(1.College of Electrical Engineering and Automation, Tianjin University, Tianjin 300072, China；2. Guangdong Institute of Special Equipment Inspection and Research,Guangzhou Guangdong 510655, China)

To solve the problem of high cost of super-capacitor storage type elevator energy-saving device, the isolated bidirectional DC/DC converter is used in the energy-saving device, analysis and modeling is made of the isolated bidirectional DC/DC converter in the small signal analysis method, and a double-loop (outer loop of converter DC bus voltage and inner loop of super-capacitor charging-discharging current) PI control strategy is introduced to overcome the technical difficulty in the high turns ratio transformation from DC bus voltage to super-capacitor voltage, thus greatly reducing the cost of elevator energy-saving device while realizing storage and reuse of elevator feedback energy. Furthermore, by using the strong current discharged from the super-capacitor, the super-capacitor energy-saving device provides strong current compensation when the elevator starts, thus reducing impact on the power grid. Simulink simulation verifies the effectiveness and feasibility of this approach.

super-capacitor; elevator energy saving; isolalated bidirectional DC/DC converter; double loop PI control; high turns ratio transformation

電梯節(jié)能技術(shù)與產(chǎn)品展示平臺(tái)開發(fā)(2014QK181)

10.3969/j·issn.1000-3886.2015.04.003

TM921

A

1000-3886(2015)04-0007-03

韓偉偉 (1990-)，男，安徽人，碩士生，研究方向：電力電子與電力傳動(dòng)。 黃紹倫(1988-)，男，廣東人，碩士生，研究方向：電力電子與電力傳動(dòng)。 代清友(1981-)，男，貴州人，碩士生，研究方向：自動(dòng)化。 萬健如(1950-)，男，江西人，教授，博士生導(dǎo)師，研究方向：電力電子與電力傳動(dòng)。

4 結(jié)束語(yǔ)

定稿日期: 2014-09-16

在電梯重載上行或輕載下行時(shí)，超級(jí)電容電壓、超級(jí)電容放電電流和直流母線電壓仿真波形如圖6(a)所示，在0 s～0.5 s時(shí)，曳引機(jī)處于啟動(dòng)、加速階段，曳引機(jī)存在較大的啟動(dòng)電流，此時(shí)超級(jí)電容以120 A的大電流向直流母線放電。在0.5 s～7.9 s時(shí)，曳引機(jī)工作在勻速狀態(tài)，此時(shí)超級(jí)電容起初以85 A的電流放電，并逐步增大至100 A，超級(jí)電容電壓由78 V降至70 V。7.9 s時(shí)，超級(jí)電容電壓降至工作下限70 V，因此7.9 s～10 s時(shí)，超級(jí)電容停止向電梯供電，此時(shí)電梯消耗的電能全部來源于電網(wǎng)。

本文將隔離雙向DC/DC變換器用于存儲(chǔ)型電梯節(jié)能系統(tǒng)，基于小信號(hào)分析法對(duì)隔離雙向DC/DC變換器進(jìn)行分析，采用電壓電流雙環(huán)PI控制，對(duì)電梯節(jié)能系統(tǒng)進(jìn)行了建模仿真。仿真結(jié)果表明，本文設(shè)計(jì)的電梯節(jié)能系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)電梯回饋能量的存儲(chǔ)與再利用，通過大變比的變換，降低了超級(jí)電容側(cè)的工作電壓。在電梯啟動(dòng)時(shí)，超級(jí)電容提供較大的放電電流以補(bǔ)償電梯的啟動(dòng)電流，減少了電梯因啟動(dòng)電流大對(duì)電網(wǎng)的造成沖擊。