肖春華,李明仕
(1.武漢軟件工程職業(yè)學(xué)院 電子工程學(xué)院,湖北 武漢 430205;2.武漢艾德杰電子有限責(zé)任公司,湖北 武漢 430000)
基于超級(jí)電容和最大功率跟蹤法的電梯節(jié)能系統(tǒng)設(shè)計(jì)*
肖春華1,李明仕2
(1.武漢軟件工程職業(yè)學(xué)院 電子工程學(xué)院,湖北 武漢 430205;2.武漢艾德杰電子有限責(zé)任公司,湖北 武漢 430000)
針對(duì)市場(chǎng)上現(xiàn)有的節(jié)能電梯控制器通過逆變電路直接將電梯饋能傳送給電網(wǎng),給電網(wǎng)帶來諧波污染的問題,提出了使用超級(jí)電容作為能量緩沖器,利用最大功率跟蹤法為超級(jí)電容充電,最大程度回收利用電梯的饋能,實(shí)現(xiàn)充分節(jié)能。這個(gè)方案的實(shí)現(xiàn)具有良好的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。
節(jié)能電梯;諧波污染;超級(jí)電容;最大功率跟蹤
隨著電梯應(yīng)用的日益普及,每年電梯耗能量也是節(jié)節(jié)攀升,各種節(jié)能電梯的設(shè)計(jì)和應(yīng)用也廣泛開展。在電梯使用過程中,有接近1/2的時(shí)間是處于發(fā)電狀態(tài)[1]。在現(xiàn)有節(jié)能電梯設(shè)計(jì)方案中,普遍通過設(shè)計(jì)逆變電路將這部分能量回饋到電網(wǎng)中。雖然這種處理方式實(shí)現(xiàn)了能量的回收利用,但也存在一個(gè)顯而易見的缺陷,即通過逆變電路輸出的逆變交流電輸送到電網(wǎng)中時(shí),一定會(huì)對(duì)電網(wǎng)造成諧波污染[2]。針對(duì)此,本文提出了一種基于超級(jí)電容和最大功率跟蹤法的電梯節(jié)能系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。
系統(tǒng)的設(shè)計(jì)框架如圖1所示。該系統(tǒng)包括與電梯控制器連接的DC/AC模塊、DC/DC模塊、超級(jí)電容組和系統(tǒng)控制模塊。之所以采用超級(jí)電容作為儲(chǔ)能元件,是基于2個(gè)方面的原因:①超級(jí)電容具有大電流充放電特性,能及時(shí)回收電梯發(fā)電運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的電能,相較普通鉛酸電池有較大的優(yōu)勢(shì)。②從成本上來看,鉛酸電池的充放電壽命為500次,鋰電池為2 000次左右,而超級(jí)電容組充放電壽命可以達(dá)到100萬次。如果僅按電梯一天運(yùn)行50次計(jì)算,每次為半充半放,每天充放電次數(shù)為25次,采用超級(jí)電容進(jìn)行儲(chǔ)能,工作壽命能夠輕松達(dá)到20年,極大地降低了運(yùn)營成本。
在電梯運(yùn)行過程中可能會(huì)遇到停電的情況,因此,在該框架下,雙向DC/DC變換模塊包含2個(gè)功能:①在電梯正常使用的過程中,當(dāng)電梯處于發(fā)電狀態(tài)時(shí),要對(duì)超級(jí)電容進(jìn)行充電,實(shí)現(xiàn)能量回收。當(dāng)電梯處于耗能狀態(tài)時(shí),將存儲(chǔ)在超級(jí)電容的電能取出,通過直流母線饋送給電梯控制器,實(shí)現(xiàn)能量的再利用,達(dá)到充分節(jié)能的目的。②當(dāng)突然停電時(shí),該系統(tǒng)還要當(dāng)作應(yīng)急電源使用,除了給電梯控制器的直流母線供電外,還要將超級(jí)電容里剩余的電能取出,轉(zhuǎn)換為直流600 V供給DC/AC逆變模塊,DC/AC逆變模塊將之轉(zhuǎn)變?yōu)?80 V的交流電給電梯控制器供電,以確保電梯的使用安全。
圖1 系統(tǒng)框架圖
圖2 電梯運(yùn)行速度曲線
超級(jí)電容在系統(tǒng)中起到了能量緩沖器的作用,所以,應(yīng)盡可能地回收電梯的饋能。另外,在具體設(shè)計(jì)中,還要考慮成本問題。如果容量不夠,就不能充分吸收電梯的回饋電能,造成能源浪費(fèi),污染環(huán)境;如果容量設(shè)置冗余,就會(huì)增加成本,在某種程度上失去節(jié)能裝置的意義。因此,超級(jí)電容的參數(shù)設(shè)置起到了至關(guān)重要的作用,是系統(tǒng)研究的重點(diǎn)問題之一。電梯饋能運(yùn)行時(shí)有2部分能量,一個(gè)是電梯運(yùn)行的動(dòng)能,另一個(gè)是電梯運(yùn)行產(chǎn)生的勢(shì)能。電梯運(yùn)行時(shí)是變速運(yùn)動(dòng),速度變化比較大,因此,動(dòng)能變化也比較大,本設(shè)計(jì)中主要考慮勢(shì)能的回收利用。
圖2是典型的電梯運(yùn)行速度曲線,考慮到電梯的運(yùn)行速度和乘客的舒適性,一般采用拋物線類型的S曲線。根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定,起動(dòng)和制動(dòng)的加速度宜設(shè)置為1.5~2.0 m/s2。當(dāng)額定速度為1.0~2.0 m/s時(shí),加速度宜設(shè)置為0.50~2.0 m/s2,所以,電梯的加速度一般為1.83 m/s2。電梯在空載上行或滿載下行時(shí)回饋功率最大,從底樓到頂樓運(yùn)行回饋能量最大,超容選取應(yīng)基于最大能量回饋。
電梯勢(shì)能按式(1)計(jì)算,即:
式(1)中:m1為電梯轎廂質(zhì)量和額定載質(zhì)量之和;m2為電梯配重。
項(xiàng)目組在設(shè)計(jì)本裝置時(shí),所用的電梯參數(shù)為:電梯轎廂質(zhì)量1 200 kg,額定載重量為1 000 kg,對(duì)重質(zhì)量為1 700 kg,按照樓層為21層,每層層高4 m設(shè)計(jì)。
根據(jù)式(1)可以計(jì)算出電梯從1層運(yùn)行到21層產(chǎn)生的勢(shì)能為:Eg=(m1+m2)gh=(1 200+1 000-1 700)×9.8×80=392 kJ。
超級(jí)電容的儲(chǔ)能按式(2)計(jì)算,即:
式(2)中:V1為超級(jí)電容最高電壓;V2為超級(jí)電容回饋電能時(shí)的最低電壓。
具體設(shè)計(jì)時(shí),超級(jí)電容儲(chǔ)能必須大于電梯運(yùn)行產(chǎn)生的勢(shì)能,即需要滿足式(3),即:
式(3)中:η為電能轉(zhuǎn)換效率。
考慮到電梯啟動(dòng)時(shí)的功率比較大,為了減小損耗,在反復(fù)實(shí)驗(yàn)的情況下,將超級(jí)電容電壓最高電壓V1設(shè)為400 V,超級(jí)電容回饋?zhàn)畹碗妷篤2取200 V。此時(shí),超級(jí)電容儲(chǔ)能利用率為75%.
通過上述公式可以算出,C>6.87 F。
超級(jí)電容的另一個(gè)作用是,其作為應(yīng)急裝置,需要在緊急情況下提供電能,其電壓在任何情況下都要保持一定數(shù)值,也就是超級(jí)電容回饋時(shí)最低電壓為V2。為了減小雙向變換器的設(shè)計(jì)難度,超級(jí)電容放電到一定電壓時(shí)要停止,設(shè)超級(jí)電容放電截止電壓為Vmin,當(dāng)電梯運(yùn)行在某兩層之間突然停電時(shí),在超級(jí)電容能夠完全放電情況下,其提供的能量應(yīng)滿足:
式(4)中:h為應(yīng)急平層時(shí)電梯的運(yùn)行距離,因?yàn)閷痈? m,所以應(yīng)急平層時(shí)運(yùn)行最大距離為4 m。
由式(4)可以求得超級(jí)電容放電截止電壓為184 V。
采用單體電壓為2.7 V的超級(jí)電容,考慮到安全,需要留有一定余量,單體電壓按照2.65 V計(jì)算,則需要的超級(jí)電容的個(gè)數(shù)為:400/2.65≈150個(gè),需要的超級(jí)電容總?cè)萘繛椋篊=150×6.87=1 030 F。因此,最終本設(shè)計(jì)使用的超級(jí)電容組由150個(gè)1 200 F/2.7 V規(guī)格的超級(jí)電容串聯(lián)而成。
在該系統(tǒng)中,電梯變頻器的直流母線是通過雙向變換器為超級(jí)電容充電的[3],只有在確定電梯饋能時(shí)才能給超容充電。由于電梯實(shí)際運(yùn)行工況復(fù)雜,載重往往無法定,要到往的樓層也不確定,因此,無法確定電梯饋能。
在電梯饋電運(yùn)行時(shí),直流母線電壓會(huì)升高[4]。為了防止直流母線電壓過高,電梯變頻器都加有能量泄放電阻。當(dāng)直流母線電壓達(dá)到設(shè)定電壓時(shí),就接通泄放電阻;當(dāng)直流母線電壓低于設(shè)定電壓時(shí),斷開泄放電阻[5]。因此,在電梯饋能時(shí),電梯的直流母線基本會(huì)維持一個(gè)固定電壓,與電梯饋能的關(guān)系不大。通過判斷直流母線電壓大小來判斷電梯是否運(yùn)行在饋電狀態(tài)是可行的,但是,以直流母線電壓來確定超容的充電功率不可行。
為了適應(yīng)電梯饋能的變換,要求超級(jí)電容的充電功率是可變的,即要隨著電梯饋電的多少來改變。如果充電功率大于電梯饋電功率,會(huì)導(dǎo)致直流母線的電壓低于正常電壓,從而引起電梯誤報(bào)警。如果充電功率小于電梯饋電功率,會(huì)有一部分饋電能量浪費(fèi)在泄放電阻上。
為了解決這個(gè)問題,系統(tǒng)中超級(jí)電容的充電功率采取最大功率跟蹤法充電,充電功率隨著電梯饋電功率而改變。這樣做,既不影響電梯的安全運(yùn)行,又實(shí)現(xiàn)了電梯饋能的最大利用??刂撇糠衷砣鐖D3所示。
圖3 最大功率跟蹤硬件設(shè)計(jì)框圖
電壓電流檢測(cè)電路采集到的電梯變頻器直流母線相關(guān)信息經(jīng)A/D端口送入微控制器進(jìn)行最大功率點(diǎn)跟蹤算法分析計(jì)算后,微控制器通過模塊輸出PWM脈沖控制DC/DC變換器中功率管的導(dǎo)通占空比,實(shí)現(xiàn)對(duì)超級(jí)電容充電電流的控制,從而改變充電功率。
鑒于變頻器直流母線只需要不超過它的最高電壓就能安全工作,在這里,我們采取固定電壓法的策略來實(shí)現(xiàn)最高功率跟蹤。超級(jí)電容的最高電壓總是小于變頻器的直流母線電壓[6],本文采用非隔離降壓式DC/DC轉(zhuǎn)換電路,將電梯饋能產(chǎn)生的不可控輸出電壓轉(zhuǎn)換成可控的輸出電壓。其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖4所示。從圖4中可以看出,主電路由開關(guān)管Q、二極管D、電感L和電容C等構(gòu)成。
圖4 非隔離降壓式DC/DC轉(zhuǎn)換電路拓?fù)鋱D
Vin為電梯變頻器直流母線電壓,輸出負(fù)載為超級(jí)電容,輸出電壓Vo為最大超級(jí)電容充電電壓。直流母線電壓Vin受電梯運(yùn)行工況的不同而不同,系統(tǒng)設(shè)定690 V為其最大功率跟蹤電壓。
電梯饋能運(yùn)行時(shí)會(huì)導(dǎo)致直流母線電壓升高,當(dāng)系統(tǒng)檢測(cè)到直流母線電壓達(dá)到690 V時(shí),降壓電路工作,為超級(jí)電容充電,充電電流為I0。當(dāng)電梯饋能大于充電功率時(shí),會(huì)導(dǎo)致直流母線電壓繼續(xù)升高,檢測(cè)到Vin高于690 V時(shí),系統(tǒng)逐步增加充電電流I0,直到充電功率與電梯饋能基本相同,將Vin維持在690 V。這樣做,既能最大程度地利用電梯饋能,又能保證電梯運(yùn)行的可靠度。
表1 1號(hào)電梯實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)
項(xiàng)目組按照上述方案實(shí)際做了2套電梯節(jié)能控制器,分別裝在某小區(qū)的2臺(tái)電梯上,小區(qū)為11層高。基于安全考慮,實(shí)驗(yàn)采取空載運(yùn)行,從1樓運(yùn)行到頂樓,再從頂樓運(yùn)行到1樓,5次為1組,實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)如表1和表2所示。分析數(shù)據(jù)可知,加入節(jié)能裝置后,1號(hào)電梯節(jié)電率達(dá)到24%,2號(hào)電梯節(jié)電率達(dá)到32%,測(cè)試結(jié)果達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)。因?yàn)?部電梯的拽引機(jī)和控制器不同,致使2部電梯的節(jié)電率不一致。2部裝置做完實(shí)驗(yàn)后都投入了實(shí)際運(yùn)行,運(yùn)行3個(gè)月,平均節(jié)電率為17.5%.
表2 2號(hào)電梯實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)
[1]曹智超,羅正衛(wèi),李欽軒.電梯用超級(jí)電容器節(jié)能的研究與應(yīng)用[J].建筑電氣,2013(7):30-33.
[2]冀寶霖,趙懷林,陳勝,等.一種最大功率點(diǎn)跟蹤算法與實(shí)現(xiàn)[J].電源技術(shù),2017(5):790-793.
[3]張馳,張代潤(rùn).基于改進(jìn)的變步長(zhǎng)光伏并網(wǎng)系統(tǒng)MPPT控制策略研究[J].電測(cè)與儀表,2012,49(1):67-71.
[4]詹天文,文武松,張穎超,等.一種基于混合儲(chǔ)能的獨(dú)立光伏發(fā)電系統(tǒng)[J].電源技術(shù),2015,39(2):325-326,338.
[5]金石,張鳳閣,朱連成.無刷雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)的變速恒頻最大功率跟蹤[J].太陽能學(xué)報(bào),2014,35(11):2279-2285.
[6]盤錦.一種低成本電梯節(jié)能控制技術(shù)[J].化工管理,2014(6):99.
肖春華(1980—),男,湖北松滋人,講師,工程師,碩士,主要研究方向?yàn)榍度胧较到y(tǒng)。
〔編輯:白潔〕
TP368
A
10.15913/j.cnki.kjycx.2017.24.034
2095-6835(2017)24-0034-03
湖北省教育廳科研課題“基于太陽能與超級(jí)電容的新型節(jié)能電梯控制器研制”(編號(hào):B2016546)