任輝 胡國(guó)文 楊曉冬

摘 要：礦井罐籠作為礦井提升機(jī)系統(tǒng)的重要組成部分起著輸送的作用，但由于工作環(huán)境的特殊性，外界很難向其內(nèi)部輸送電力，進(jìn)而無(wú)法實(shí)現(xiàn)信息交互、照明、報(bào)警等基本功能，存在很大的安全隱患。針對(duì)這種情況，在充分了解罐籠運(yùn)行特性及機(jī)械結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，提出了一種以超級(jí)電容為儲(chǔ)能單元的礦井罐籠自發(fā)電與能量回饋系統(tǒng)。整個(gè)系統(tǒng)包含交流發(fā)電、整流、直流側(cè)穩(wěn)壓、DC/DC變換、儲(chǔ)能等單元。為驗(yàn)證系統(tǒng)方案的可行性，在Matlab/Simulink仿真環(huán)境下搭建各單元仿真模型進(jìn)行驗(yàn)證，并對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行分析。結(jié)果表明，儲(chǔ)能單元的加入為礦井罐籠系統(tǒng)功率平衡提供了有力支撐，基于超級(jí)電容的罐籠能量回收系統(tǒng)在很大程度夠解決罐籠供給電能的問(wèn)題。

關(guān)鍵詞：礦井罐籠；超級(jí)電容；能量回饋；Matlab/Simulink

中圖分類(lèi)號(hào)： TM92 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A [WT]文章編號(hào)：1672-1098（2017）03-0050-06

Abstract：Mine cages serve as an important part in the mine hoist system， but because of the particularity of the working environment， it is difficult for the outside world to transmit electric power to the inside， which can not realize the basic functions such as information exchange， lighting and alarming. In view of this situation， based on the understanding of the running properties and mechanical structure of the cage， a self - generation and energy feedback system of mine cage with super capacitor as energy storage unit is proposed. The whole system includes AC power generation， rectifier， DC side regulator， DC / DC conversion， energy storage and other units. In order to verify the feasibility of this system scheme， the simulation model of each unit was built in Matlab / Simulink simulation environment， and the simulation results were analyzed. The results show that the addition of the energy storage unit provides a strong support for the power balance of the coal cage system. The energy recovery system based on the super capacitor can solve the problem of supplying the energy of the cage to a great extent.

Key words：Mine cage； super capacitor； energy feedback； Matlab/Simulink

礦井罐籠作為礦井提升機(jī)系統(tǒng)的重要組成部分，起著輸送人員、設(shè)備、貨物等類(lèi)似于電梯的作用。為了保證整個(gè)礦山提升系統(tǒng)安全穩(wěn)定的運(yùn)行，需要對(duì)提升機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，目前所采用的傳統(tǒng)礦井提升機(jī)狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要通過(guò)地面機(jī)房對(duì)牽引機(jī)的控制來(lái)實(shí)現(xiàn)，但其不能對(duì)罐籠部分的具體情況做出有效的判斷。究其原因，主要是由于礦井提升機(jī)處于易燃易爆煤礦的特殊環(huán)境，再加上井道垂直高度較大等因素，使得無(wú)法通過(guò)隨行電纜的方式將電力輸送至罐籠內(nèi)部，進(jìn)而也就無(wú)法有效地對(duì)罐籠進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)，在很大程度上降低了礦井提升機(jī)運(yùn)行系統(tǒng)的自動(dòng)化程度，同時(shí)也增加了工作人員安全的危險(xiǎn)程度[1]。

通過(guò)對(duì)礦井罐籠的運(yùn)行特性分析知，罐籠在井道上下頻繁長(zhǎng)距離的運(yùn)行過(guò)程中蘊(yùn)藏著非?？捎^的能量可以進(jìn)行回收利用，超級(jí)電容作為一種新型的儲(chǔ)能元件，由于本身具有功率密度大、充電時(shí)間短、工作壽命長(zhǎng)等諸多優(yōu)點(diǎn)使得在能量管理系統(tǒng)中被廣泛應(yīng)用[2]。通過(guò)回收利用礦井罐籠系統(tǒng)能量既解決了能量浪費(fèi)的問(wèn)題，同時(shí)又很好地將回收能量進(jìn)行再利用，供給罐籠內(nèi)部的通訊、照明等負(fù)載設(shè)備使用，解決了安全隱患問(wèn)題，提高了系統(tǒng)的自動(dòng)化及安全程度，有很高的現(xiàn)實(shí)意義及應(yīng)用價(jià)值。

1 系統(tǒng)總實(shí)現(xiàn)方案及容量配置

礦井罐籠能量回收系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示，罐籠在礦井作業(yè)中頻繁上下移動(dòng)，蘊(yùn)藏著非?？捎^的能量。出于對(duì)罐籠結(jié)構(gòu)及尺寸大小的考慮，系統(tǒng)選取三相交流永磁同步發(fā)電機(jī)作為發(fā)電設(shè)備，通過(guò)罐籠罐耳及聯(lián)動(dòng)裝置如皮帶或者齒輪等帶動(dòng)發(fā)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)發(fā)電，產(chǎn)生三相交流電，經(jīng)過(guò)SVPWM整流將其變?yōu)榉€(wěn)定的直流電，由于罐籠內(nèi)部負(fù)載電壓等級(jí)與超級(jí)電容模組的電壓等級(jí)存在差異，為此加入DC/DC變換器模塊來(lái)滿(mǎn)足不同電壓等級(jí)需求[3]。超級(jí)電容與負(fù)載并聯(lián)接在DC/DC變換器上，系統(tǒng)發(fā)出的電會(huì)優(yōu)先供給負(fù)載，當(dāng)交流側(cè)電能較為充裕時(shí)，再利用超級(jí)電容進(jìn)行多余能量的存儲(chǔ)[4-5]。由于超級(jí)電容具有功率密度大、充放電時(shí)間短、使用壽命長(zhǎng)的突出優(yōu)點(diǎn)，所以一旦系統(tǒng)出現(xiàn)功率不平衡問(wèn)題，可以利用超級(jí)電容進(jìn)行瞬時(shí)大功率的供給，從而實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的功率平衡，保證系統(tǒng)安全持續(xù)運(yùn)行[6]。

結(jié)合礦井罐籠實(shí)際運(yùn)行工況與超級(jí)電容自身特點(diǎn)，對(duì)系統(tǒng)功率、容量進(jìn)行相關(guān)的配置，目的是為了保證系統(tǒng)在穩(wěn)定運(yùn)行的同時(shí)達(dá)到最優(yōu)效果。

設(shè)定PLOAD為負(fù)載總功率，PDCH為超級(jí)電容儲(chǔ)能系統(tǒng)放電功率，以江蘇某礦井罐籠為例，該礦井罐籠為雙層罐籠，其主要用電設(shè)備為照明燈、開(kāi)關(guān)門(mén)電機(jī)、通訊機(jī)。該雙層罐籠可以采用2個(gè)功耗在20W左右的直流LED燈作為照明裝備，電機(jī)以普通自動(dòng)門(mén)電機(jī)作為參考，以三菱SAD-150D無(wú)刷直流電機(jī)為例，其額定功率為80W，額定電壓為24V，額定電流3.5A，適用于150KG*2雙扇自動(dòng)門(mén)，即對(duì)于該雙層罐籠來(lái)說(shuō)，自動(dòng)門(mén)電機(jī)數(shù)量為4個(gè)。再加上下2個(gè)通訊機(jī)設(shè)備（功率在10W左右），可以得到系統(tǒng)負(fù)載總功率PLOAD為380W，即系統(tǒng)正常穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)要求超級(jí)電容儲(chǔ)能系統(tǒng)放電功率PDCH≥380W。出于對(duì)安全裕量和裝置器械機(jī)械效率（一般在80%左右）及損耗考慮，取PDCH=500W。對(duì)于雙層礦井罐籠而言，其每層左右兩端有兩組罐耳，每組有3個(gè)罐耳，即共12個(gè)滾輪罐耳，每組選用一個(gè)罐耳用來(lái)聯(lián)動(dòng)發(fā)電，即需要4個(gè)三相交流永磁同步發(fā)電機(jī)，所以通過(guò)計(jì)算知選用的交流電機(jī)額定功率不低于125 W才可以滿(mǎn)足系統(tǒng)要求。

由于礦機(jī)罐籠上下運(yùn)行時(shí)間非常短，對(duì)于礦井井道在350米左右的罐籠其運(yùn)行周期一般在2min，所以傳統(tǒng)儲(chǔ)能方法無(wú)法在短時(shí)間回收大量能量，超級(jí)電容因?yàn)槠涔β拭芏却蟮耐怀鰞?yōu)點(diǎn)可以很好的解決這一問(wèn)題。結(jié)合前面對(duì)系統(tǒng)功率的分析，在這里可以選用由美國(guó)Maxwell公司生產(chǎn)的BMOD0165P048804/B08電容模組，它是由3.7V/3 000F的超級(jí)電容單體組成，模組額定容量為165F，額定電壓為48V，等效內(nèi)阻為6.5mΩ，額定電流為200A，經(jīng)過(guò)計(jì)算，該模組完全滿(mǎn)足系統(tǒng)對(duì)功率的要求，而且額定電壓48V能夠滿(mǎn)足罐籠負(fù)載對(duì)電壓等級(jí)要求，同時(shí)方便DC/DC變換器的控制。

2 SVPWM整流器模塊

2.1 SVPWM拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

SVPWM整流器作為礦井罐籠能量回收系統(tǒng)重要組成部分，起著能量傳輸作用，通過(guò)電力電子器件整流變換將交流電能轉(zhuǎn)換為直流電能。本系統(tǒng)中選擇的開(kāi)關(guān)元件為可控型，通過(guò)調(diào)節(jié)開(kāi)關(guān)管觸發(fā)脈沖PWM波占空比大小便可以得到不同輸出等級(jí)大小的直流電[7]。其結(jié)構(gòu)拓?fù)鋱D如圖2所示，其中ea、eb、ec為三相永磁同步交流發(fā)電機(jī)發(fā)出的三相交流電電動(dòng)勢(shì)，ia、ib、ic為交流側(cè)的三相交流電電流，L為濾波電感，R為線(xiàn)路與開(kāi)關(guān)的等效電阻，Cdc為直流側(cè)穩(wěn)壓電容，Vdc為直流側(cè)輸出電壓。

2.2 雙閉環(huán)控制

如圖3所示，為了實(shí)現(xiàn)對(duì)整流器的控制，首先要采集三相交流電機(jī)發(fā)出的電壓和電流，從而得到在靜止坐標(biāo)系（a，b，c）下的電勢(shì)與電流，經(jīng)過(guò)park變換后，得到了在（d，q）坐標(biāo)下的有功分量和無(wú)功分量，通過(guò)前饋解耦，便可以實(shí)現(xiàn)直接電流控制[8]。雙閉環(huán)指的是電壓環(huán)作為外環(huán)，電流環(huán)作為內(nèi)環(huán)，整流后的直流電壓反饋與給定電壓的差值經(jīng)電壓PI調(diào)節(jié)后作為d軸電流的給定值id，通過(guò)控制id的大小及符號(hào)來(lái)控制功率的大小及方向。為了實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)交流側(cè)工作在單位功率，取i*d=0，d、q軸電流給定值與實(shí)際測(cè)得的電流值比較后經(jīng)電流PI調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)，輸出的v*d、v*q作為整流器交流側(cè)基波電壓的d軸與q軸分量的給定值，經(jīng)SVPWM調(diào)制后，產(chǎn)生6路驅(qū)動(dòng)脈沖，用來(lái)控制開(kāi)關(guān)管MOSFET的動(dòng)作。采用這種雙閉環(huán)控制方法可以穩(wěn)定直流側(cè)母線(xiàn)電壓的大小，防止功率波動(dòng)的出現(xiàn)，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

交流發(fā)電機(jī)發(fā)出來(lái)的三相交流電經(jīng)過(guò)SVPWM整流后變?yōu)橹绷麟?，此時(shí)的直流電壓等級(jí)仍然比較高，一般為500V左右（可以設(shè)定）。而罐籠內(nèi)部負(fù)載的電壓等級(jí)大小不同，有的是照明設(shè)備，有的是通訊設(shè)備，有的是報(bào)警顯示設(shè)備等等，同時(shí)出于對(duì)超級(jí)電容模組的保護(hù)，其充電電壓等級(jí)不能太高，否則的話(huà)對(duì)超級(jí)電容的沖擊就會(huì)很大，影響其使用壽命[9]。因此在向負(fù)載端供電前需要加入DC/DC轉(zhuǎn)換模塊[10]。

當(dāng)超級(jí)電容存儲(chǔ)的能量較多，而罐籠處于停止、低速、減速等狀態(tài)時(shí)，發(fā)電機(jī)發(fā)出的功率不能滿(mǎn)足負(fù)載需求，而超級(jí)電容存儲(chǔ)的能量較多時(shí)，這種情況下就可以通過(guò)boost電路將電壓等級(jí)提升，然后供給罐籠內(nèi)部負(fù)載使用，從而實(shí)現(xiàn)存儲(chǔ)能量的流動(dòng)與再利用[11]，保證罐籠內(nèi)部照明、報(bào)警、通訊的持續(xù)工作，繼而保證了整個(gè)礦井系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行。

如圖4所示，當(dāng)三相交流發(fā)電機(jī)處于正常發(fā)電狀態(tài)時(shí)，能量將流向負(fù)載及超級(jí)電容器一端，對(duì)負(fù)載供電以及向超級(jí)電容充電，此時(shí)DC/DC變換器處于降壓狀態(tài)，由VQ3、VQ4、C1和L構(gòu)成降壓buck電路；當(dāng)超級(jí)電容對(duì)外放電釋放能量時(shí)，DC/DC變換器處于升壓狀態(tài)，由VQ1、VQ2、C2和L構(gòu)成降壓boost電路[12]。雙向DC/DC變換器的存在，提高了系統(tǒng)的功率輸出能力，合理分配、利用系統(tǒng)中的能量，保證系統(tǒng)的正常運(yùn)行。

4 超級(jí)電容模組

4.1 超級(jí)電容特性分析

超級(jí)電容又稱(chēng)為法拉電容或者黃金電容，其儲(chǔ)能的過(guò)程并不是利用化學(xué)反應(yīng)，而是通過(guò)極化相應(yīng)的電解質(zhì)來(lái)進(jìn)行能量的存儲(chǔ)，因此與傳統(tǒng)的蓄電池相比較，具有能量密度大、充電時(shí)間短、使用壽命長(zhǎng)、工作溫度范圍寬，同時(shí)對(duì)環(huán)境無(wú)任何污染，因此在諸多領(lǐng)域得到越來(lái)越多的關(guān)注與應(yīng)用[13]。

4.2 超級(jí)電容模組配置

超級(jí)電容雖然具有諸多的優(yōu)點(diǎn)，但是也存在不可避免的缺陷。由于超級(jí)電容的單體電壓比較低，一般為5V或者5V以下，隨著電力電子技術(shù)與制作工藝的不斷發(fā)展與改進(jìn)，目前應(yīng)用于儲(chǔ)能方面的超級(jí)電容單體電壓已經(jīng)可以達(dá)到15V上下，但是在實(shí)際工程應(yīng)用中仍然需要通過(guò)串并聯(lián)電容單體來(lái)提升電壓和功率等級(jí)[14]。

4.3 超級(jí)電容均壓電路

由于生產(chǎn)工藝等客觀因素的存在，單體電容之間存在分散性，即相互間的額定電壓與容量并不完全相同，并且隨著工作時(shí)間的增長(zhǎng)這種分散性會(huì)越來(lái)越明顯，最終導(dǎo)致的結(jié)果就是在采用恒流充電完成后往往會(huì)發(fā)現(xiàn)不理想的情況，例如有些單體電容的電壓遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒(méi)有達(dá)到預(yù)設(shè)值（欠充），而有些單體電容卻會(huì)出現(xiàn)高于預(yù)設(shè)值（過(guò)充）的情況，這將在很大程度上影響超級(jí)電容模組的功率平衡能力。因此在進(jìn)行串并聯(lián)超級(jí)電容單體來(lái)抬升電壓和功率等級(jí)的儲(chǔ)能系統(tǒng)中必須要加入均壓電路，來(lái)抑制單體電容間的分散性，同時(shí)還要加入保護(hù)電路，來(lái)預(yù)防單體電容的過(guò)充和欠充，以免影響整個(gè)電容模組的使用壽命。

所設(shè)計(jì)的均壓電路如圖5所示。其中S1、S2、S3、S4是單向可控型開(kāi)關(guān)，由MOSFET來(lái)代替，其內(nèi)阻很小，可以近似忽略，同時(shí)控制比較簡(jiǎn)單、精確，閉合時(shí)可以等效成一根導(dǎo)線(xiàn)；斷開(kāi)時(shí)，可以等效成斷路[15]。S5、S6是雙向可控型開(kāi)關(guān)元件，用來(lái)實(shí)現(xiàn)并聯(lián)超級(jí)電容模組之間的能量流通，實(shí)現(xiàn)欠充單體電容的快速能量補(bǔ)充，保證了能量的合理利用，避免了能量浪費(fèi)，同時(shí)控制簡(jiǎn)單，均壓效果好，適合儲(chǔ)能超級(jí)電容模組均壓電路設(shè)計(jì)。

在Matlab/Simulink仿真環(huán)境下通過(guò)搭建仿真模塊和參數(shù)設(shè)定分別對(duì)SVPWM整流器模塊、DC/DC變換器模塊、超級(jí)電容模組充電模塊進(jìn)行仿真。

1） SVPWM整流器模塊

假設(shè)三相交流發(fā)電機(jī)發(fā)出的單相交流電動(dòng)勢(shì)的電壓幅值為300V，交流側(cè)的電流幅值為20A，經(jīng)SVPWM整流后的直流母線(xiàn)側(cè)的設(shè)定電壓為560V，則仿真波形如圖6所示。

2） DC/DC變換器模塊

由于DC/DC的buck和boost兩種工作模式是互逆的過(guò)程，在這里分別對(duì)buck、boost工作模式進(jìn)行仿真，buck模式下設(shè)定直流母線(xiàn)側(cè)的輸入電壓為200V，開(kāi)關(guān)管的MOSFET的PWM脈沖波的占空比D=0.4，則降壓輸出后的結(jié)果應(yīng)為80V。boost模式下設(shè)定超級(jí)電容模組的端電壓為10V，開(kāi)關(guān)管的MOSFET的PWM脈沖波的占空比D=0.6，則升壓輸出后的結(jié)果應(yīng)為25V，仿真圖形如圖7所示。

3） 超級(jí)電容模組

為了驗(yàn)證超級(jí)電容單體串聯(lián)的充電效果，對(duì)充電模組做以下參數(shù)設(shè)定：超級(jí)電容模組由6塊單體電容串聯(lián)組成，每塊單體的額定電容為100F，設(shè)定模組的端電壓的上限值為60V，即端電壓值在60V以下時(shí)充電，否則自動(dòng)停止充電。設(shè)定每個(gè)單體電容起始端電壓為7.6V左右，上下波動(dòng)不超過(guò)0.1V，波動(dòng)的設(shè)定是為了檢驗(yàn)電路的均壓效果。除此之外設(shè)定充電方式為恒流充電，大小為60A，仿真時(shí)間為5s，仿真后的波形如圖8所示。從仿真結(jié)果可以看出，采用恒流充電方式下的超級(jí)電容單體端電壓呈直線(xiàn)形式上升，這與理論推導(dǎo)完全相符。除此之外，仿真后端電壓均在同一時(shí)間點(diǎn)穩(wěn)定在10V，沒(méi)有出現(xiàn)欠充和過(guò)充的不健康情況，達(dá)到了預(yù)期的目的。

6 結(jié)論

本文提出了一種基于超級(jí)電容儲(chǔ)能的礦井罐籠自發(fā)電與能量回饋系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方案。進(jìn)行了理論分析、Matlab/Simulink仿真驗(yàn)證。結(jié)果表明：該方案能夠?qū)崿F(xiàn)系統(tǒng)交流側(cè)整流、直流側(cè)穩(wěn)壓、功率變換、超級(jí)電容儲(chǔ)能等單元功能，證明了礦井罐籠系統(tǒng)能量回饋方案的可行性，具有一定現(xiàn)實(shí)意義與實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

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（責(zé)任編輯：李 麗，吳曉紅，編輯：丁 寒）