高文偉，華 黎，李慶來

(1.上海東浩蘭生國際服務貿(mào)易(集團)有限公司，上海 200040；2.上海奧威科技開發(fā)有限公司，上海 201203)

國家會展中心(上海)(以下簡稱國家會展中心)中包含400多臺電梯，其中垂直電梯和扶梯各200 多臺，如圖1所示。50臺垂直電梯采用超級電容后，將成為世界規(guī)模最大的超級電容及節(jié)能電梯集中示范區(qū)；50 臺超級電容電梯中有6 臺在國內(nèi)首次實現(xiàn)了“停電不急?！钡陌踩δ?。

我國已成為世界上最大的電梯生產(chǎn)國和出口國，電梯每年的能耗超過500 億度。傳統(tǒng)的電梯能量回收及再利用技術(shù)利用能量回饋系統(tǒng)，雖然可實現(xiàn)20%以上的節(jié)能，但回饋電能將產(chǎn)生諧波干擾、污染電網(wǎng)，因此市場普及率不到2%；超級電容電梯代表了最新的節(jié)能電梯技術(shù)，電梯在重負載向下、輕負載向上及減速時曳引電機所產(chǎn)生的電能，通過雙向DC/DC 儲存于超級電容器組中，在下一工作循環(huán)優(yōu)先使用，從而實現(xiàn)電梯節(jié)能。同時，使用超級電容技術(shù)后，還可以提高電梯的安全性能。

圖1 超級電容節(jié)能電梯布置圖

1 超級電容節(jié)能電梯簡介

1.1 技術(shù)開發(fā)背景

隨著我國社會經(jīng)濟不斷高速發(fā)展，目前我國已經(jīng)成為世界上最大的電梯生產(chǎn)國、出口國和保有國，中國電梯的使用量和新增量均為世界第一，至2013年我國在用電梯數(shù)量達到了300 萬臺，其數(shù)量還在不斷的高速增長之中。我們在充分享受巨量電梯所帶來的方便與快捷的同時，也不得不面對巨大能耗問題。作為耗能大戶，我國目前電梯的每年總能耗要超過400 億kWh 以上，非常可觀。更為嚴重的是由電梯運行工況所決定，目前電梯所耗費電能中大約超過1/3 是以熱的形式白白浪費掉了，殊為可惜！考慮到目前我國的能源和環(huán)境壓力，以及可持續(xù)增長的需要，開發(fā)新型電梯節(jié)能技術(shù)勢在必行，據(jù)悉國家有關(guān)部門即將出臺電梯能耗標志相關(guān)規(guī)定，及電梯節(jié)能檢測方法等，這必將推動我國電梯節(jié)能技術(shù)發(fā)展。

目前電梯節(jié)能方向有2 個：一個是曳引機驅(qū)動技術(shù)和控制技術(shù)進步；另一個是開發(fā)能量回收及再利用技術(shù)。但是僅依靠曳引機驅(qū)動技術(shù)和控制技術(shù)的進步無法改變超過1/3 的電能浪費掉的事實；在能量回收及再利用技術(shù)方面目前已經(jīng)商業(yè)化的最先進的是能量回饋系統(tǒng)技術(shù)，其優(yōu)點是節(jié)能效果較高，技術(shù)成熟等，但該技術(shù)也存在著回饋電能高次諧波污染電網(wǎng)，產(chǎn)生電磁干擾，降低設備壽命，用戶付出成本卻無法直接受益等問題，因此迫切需要開發(fā)高性價比的新型節(jié)能電梯技術(shù)。

1.2 超級電容器性能特點

超級電容器是近年來一直受到人們關(guān)注的一種新型儲能器件。它兼具二次電池與靜電電容器的雙重特性，被認為是一種介于傳統(tǒng)電容器和二次電池之間的儲能電源。超級電容器具有功率密度大、充電迅速、循環(huán)壽命長、能量密度較高、使用溫度范圍寬、可靠性高、清潔環(huán)保等突出的優(yōu)點，特別適合用于短時間高功率輸出以及需要快速充電的場合，妥善解決了儲能設備高比功率和高比能量輸出之間的矛盾。

超級電容器在性能上填補了傳統(tǒng)電容器和二次電池之間的性能空白點，因此與其它的化學電源相比，超級電容器在節(jié)能電梯、純電動城市客車、純電動場地車輛、HEV 油電混合動力汽車、電電混合動力汽車等電動汽車、礦用電機車、高爾夫車、工程機械、軌道交通、太陽能和風能發(fā)電系統(tǒng)、港口機械、電動工具，以及部分軍事航天等應用領(lǐng)域?qū)⒕哂忻黠@的性能優(yōu)勢，是21 世紀理想的環(huán)保型儲能器件之一，在新能源和新能源汽車等產(chǎn)業(yè)中展現(xiàn)出誘人的應用前景。

1.3 超級電容節(jié)能電梯原理

電梯工作中，在重負載向下、輕負載向上及減速等工況條件下，勢能和動能通過曳引機轉(zhuǎn)換產(chǎn)生電能。這部分電能要占到電梯整個耗電量的接近40%左右，目前該電能基本上是通過電梯控制器上的電阻以熱的形式耗散掉了，同時為平衡這部分熱量，電梯控制間還要裝設空調(diào)，進一步加大了電能的消耗。

超級電容節(jié)能電梯技術(shù)利用超級電容器的快速充電特性、長循環(huán)壽命、高比功率、能量轉(zhuǎn)化效率高等特點，將超級電容器組作為儲能電源，電梯在重負載向下、輕負載向上及減速時曳引電機所產(chǎn)生的電能，通過雙向DC/DC 儲存于超級電容器組中，而在電梯的加速段、重負載向上及輕負載向下時(實際耗能過程)將超級電容器所儲存的電能，再通過DC/DC 返回至變頻器，優(yōu)先使用，從而達到節(jié)能的目的。具體原理如圖2所示。

超級電容節(jié)能電梯除節(jié)能外，還充分利用了超級電容器的特性，將超級電容器高電壓段用作電能的回收和再利用，而將低電壓段用作后備電源，在發(fā)生停電或故障時，可以維持電梯的照明、通風和通訊，并實現(xiàn)電梯平層放出被困人員，從而大大提高電梯的安全性。

圖2 超級電容節(jié)能電梯原理圖

1.4 超級電容節(jié)能電梯特點

本課題組自2009年開始從事超級電容節(jié)能電梯的技術(shù)開發(fā)，目前已成功研制出多代產(chǎn)品，可靈活應用于新電梯和舊電梯改造，已通過了權(quán)威部門檢測和型式實驗，目前已進入批量應用階段。

經(jīng)檢測，超級電容節(jié)能電梯在各自行走一個周期的模擬工況下綜合節(jié)電率為24.77%(最高可達33%)。由于超級電容的蓄能作用，其啟動電流在最大的負載條件下比未安裝超級電容節(jié)能系統(tǒng)的小14.9%，工作電流小22.2%，因此，可以減少供電設備容量20%以上。電梯安裝超級電容節(jié)能系統(tǒng)裝置后的電能質(zhì)量測試，其電流諧波畸變率與未安裝系統(tǒng)前相同。經(jīng)鑒定，其節(jié)能技術(shù)處于國際同類產(chǎn)品的先進水平。

超級電容節(jié)能電梯主要的特點包括：自主技術(shù)創(chuàng)新，握有自主知識產(chǎn)權(quán)；節(jié)能效果非常顯著；回收的電能直接用于電梯驅(qū)動，避免了污染電網(wǎng)和電磁干擾；不影響電梯正常使用；電梯用戶直接受益，成本與3～5年節(jié)約的電費相當；大幅度提高電梯運行的安全性；一體化和模塊化設計，應用靈活等，其市場前景非常廣闊。超級電容器電源系統(tǒng)接入電梯控制裝置的原理圖如圖3所示。

圖3 超級電容器電源系統(tǒng)接入電梯控制裝置的原理示意圖

2 國家會展中心應用超級電容節(jié)能電梯

2.1 國家會展中心節(jié)能電梯超級電容系統(tǒng)設計方案

本課題組與國家會展中心電梯中標單位上海三菱電梯有限公司密切合作，針對國家會展中心電梯規(guī)格型號、分布、客流等情況，確定了具有代表性的50 余臺電梯采用超級電容節(jié)能電梯技術(shù)，進行了超級電容器電源系統(tǒng)設計。

考慮到電梯的實際情況，兼顧未來的市場推廣，因此采用了MUCR48V196 模塊作為標準模塊，根據(jù)電梯的實際狀況每臺電梯配置2～4個模塊。MUCR48V196 模塊具有充放電電流大、內(nèi)阻小、循環(huán)壽命長、設計可靠等優(yōu)點(基本性能參數(shù)見表1，外形如圖4)，非常適合應用于電梯節(jié)能。

表1 MUCR48 V 196 超級電容器模塊性能參數(shù)

圖4 MUCR48 V 196模塊外形圖

由于電梯使用非常頻繁，普通的均衡系統(tǒng)難以保證模塊的電壓均一性，本課題組針對超級電容器的大功率充放電特性和電梯實際使用工況，設計采用了專用均衡系統(tǒng)。該系統(tǒng)可以在超級電容器頻繁充放電的條件下，保證模塊內(nèi)電壓差＜20 mV，同時還可采集超級電容器模塊的工作狀態(tài)，并通過符合SAEJ1939 協(xié)議的CAN 總線與主機系統(tǒng)連接，輸出電壓、電流和溫度信號，以及故障報警信號等。經(jīng)前期實驗證明該均衡系統(tǒng)具有良好的性能和可靠性，滿足節(jié)能電梯使用要求。

2.2 國家會展中心超級電容節(jié)能電梯效果

(1)節(jié)能。超級電容節(jié)能電梯是擁有自主知識產(chǎn)權(quán)的技術(shù)創(chuàng)新成果，不僅避免了污染電網(wǎng)和諧波干擾，還能節(jié)省電費，僅需3～5年時間即可收回成本。經(jīng)過權(quán)威部門檢測，超級電容節(jié)能電梯在模擬工況下綜合節(jié)電率為25%，最高可達33%以上。50 多臺電梯通過采用超級電容和回饋系統(tǒng)結(jié)合的方式，年節(jié)電約60 萬度。更重要的是，超級電容節(jié)能電梯將納入國家會展中心能源智能化管理系統(tǒng)中進行統(tǒng)一管理，進一步提高能源智能化管理系統(tǒng)功能，為建設智能化的綠色國家會展中心服務。

(2)安全。國家會展中心將主要承接大型展會，社會影響巨大，確保參觀者的安全是第一位的。超級電容節(jié)能電梯具備后備電源功能，在停電和電梯故障時，維持電梯的照明、通風和通訊，并實現(xiàn)電梯平層放人，對于確保公共安全具有重要的意義。普通的超級電容僅僅是“儲能器件”，若斷開電梯供電電源，正在運行的電梯必然急停，會給乘客帶來風險；而安全電梯通過超級電容與電梯控制結(jié)合，釋放超級電容的儲能，研發(fā)電源拓撲，實現(xiàn)“停電不急停”的安全功能。在停電的緊急狀態(tài)下，電梯能夠在最近層?？俊⑵綄臃湃?，在最惡劣情況下仍可保證運行15 米以上，一般情況下還可以持續(xù)服務一段有限時間。安全電梯在場館突發(fā)停電情況下，除了能照常運行外，緩解了市政大面積停電造成的援救難度，還能維持電梯內(nèi)的照明、通風和通訊，給乘客提供最大的安全感。

3 結(jié)論

國家會展中心利用電梯節(jié)能技術(shù)的最新成果，批量采用了超級電容節(jié)能電梯系統(tǒng)，成為世界上集中使用超級電容節(jié)能電梯數(shù)量最多的建筑，在大幅節(jié)約電能的同時還提高了電梯運行的安全性，社會效益、經(jīng)濟效益和環(huán)境效益顯著，開創(chuàng)了大型公共建筑節(jié)能的新典范，具有重要的引領(lǐng)和示范作用。此外通過使用超級電容節(jié)能電梯，還可提高微電網(wǎng)供電質(zhì)量，減少設備的裝機容量等[1-3]。

[1]CONWAY B E.Electrochemical Supercapacitor Scientific Fundamentals and Technological Applications[M].US：Plenum Publishing Co.,1999.

[2]高文偉.中國2010年上海世博會世博中心綠色實踐[J].綠色建筑，2010(1)：52-59.

[3]BURKE A.Ultracapacitors：why,how,and where is the technology[J].Journal of Power Sources,2000(11)：37-50.