鄧誼柏，陳 挺，黃家堯，李婷婷，阮殿波

（1.寧波中車新能源科技有限公司，浙江寧波 315112；2.浙江大學電氣工程學院，杭州 310027；3.寧波大學機械工程與力學學院，浙江寧波 315000）

0 引言

當今社會，電梯已經(jīng)成為人們?nèi)粘９ぷ?、生活中的重要工具，也是城?zhèn)化建設中必不可少的重要建筑設備之一。隨著中國城鎮(zhèn)化建設的逐步發(fā)展，房地產(chǎn)市場對電梯有著剛性需求。同時，我國人口老齡化問題使得老年群體對于電梯的需求逐步增加，加快推進老舊小區(qū)加裝電梯的政策進一步刺激了電梯的市場需求[1]。2018年，中國電梯保有量已經(jīng)達到了627.8 萬臺[2]，如圖1 所示，未來的舊電梯的更新需求逐漸增多，促使了電梯市場進一步擴大。此外，在電梯保有量飛速增長的同時，電梯安全事故日益頻繁，嚴重影響人們使用電梯的舒適度和安全性，特別是會對高血壓、心臟病等人群的安全產(chǎn)生威脅。因而，電梯的節(jié)能與安全運行極為重要。

圖1 中國電梯市場情況

在電梯工作過程中，當處于輕載上行和重載下行模式時，曳引機作為發(fā)電機工作，將重力勢能轉(zhuǎn)化為電能，導致直流母線電壓升高，這部分電能可以收集儲存以重復利用。目前對于這部分電能的處理主要有兩種方式：電阻消耗式及饋網(wǎng)式。電阻消耗式完全無法利用曳引機產(chǎn)生的電能，同時，由于電阻耗能過程會產(chǎn)生熱量，機房中需要額外配置空調(diào)來優(yōu)化機房環(huán)境，導致了額外的耗能。饋網(wǎng)式直接將曳引機產(chǎn)生的電能回饋到交流電網(wǎng)中，但是由于電梯實際運行過程中負載的不確定性很大，導致曳引機產(chǎn)生的電能質(zhì)量低，無法被樓宇內(nèi)的其他耗電設備直接利用，且容易對電網(wǎng)造成沖擊及諧波污染[3]，電梯數(shù)量越多，對電網(wǎng)的沖擊及諧波污染越嚴重。

為解決電梯能量儲存問題，有些研究采用蓄電池作為儲能裝置[4]，近年來，隨著超級電容技術的發(fā)展，器件成本及性能有了顯著的改善，采用超級電容儲能的電梯應急裝置受到了廣泛關注[5]。超級電容器具有比功率高、循環(huán)壽命長、低溫特性好等優(yōu)點[6]，能夠很好地克服曳引機發(fā)生電能質(zhì)量差的缺點。超級電容器將曳引機產(chǎn)生的電能吸收、存儲后，通過DC/DC輸出高質(zhì)量的電能供電梯使用，從而達到節(jié)能的目的。另外，超級電容器擁有百萬次循環(huán)壽命，基本可以覆蓋電梯10～15年的服役壽命，減少了后期的維保成本。超級電容器具有功率密度大、能量密度小的特性，在電梯供電電源突然失電時，超級電容儲存的能量足以使電梯就近樓層平層并開門。因此基于節(jié)能和安全的角度，超級電容非常適合用于電梯設備[6]。

本文設計了一套基于雙電層超級電容器的電梯節(jié)能系統(tǒng)，在電梯空載上行和滿載下行的過程中吸收電能，在電梯滿載上行和空載下行過程中釋放電能。該系統(tǒng)安裝簡單，無需對原變頻設備進行改造，在交流電網(wǎng)突然失電的情況下，還可以作為后備電源提供電能，使得轎廂就近平層，保障乘客安全。

1 雙電層超級電容器工作原理

雙電層電容器（EDLC, Electrical Double-Layer Capacitor）是一種新型的儲能元件，它通常是通過電極與電解液形成的界面雙電層來儲存電荷從而實現(xiàn)儲存能量的功能[7-8]，其反應過程如圖2所示，由于其充放電過程中不存在化學反應，因此充放電效率高、比功率大、循環(huán)壽命長、溫度特性好，且對環(huán)境友好，是一種新型儲能裝置。目前市場上的EDLC單體容量從幾十法拉到上千法拉不等，在電動客車、港口機械、軌道交通等領域均有一定的應用[9]。

圖2 雙電層電容器工作原理

與電池相比，雖然EDLC比能量小，但是功率密度大，適合大電流頻繁充放，能夠很好地適應電梯曳引機發(fā)出的低質(zhì)量電能，同時其高達百萬次的循環(huán)壽命也能較好的匹配電梯的使用壽命，EDLC與電池單體的對比如表1所示。

表1 EDLC產(chǎn)品與電池性能比較

2 電梯節(jié)能及應急平層系統(tǒng)設計

2.1 節(jié)能原理

常規(guī)垂直電梯的基本組成如圖3 所示，當變頻器（整流器+逆變器）為雙向型時，屬于饋網(wǎng)式，曳引機產(chǎn)生的電能直接回饋至工頻電網(wǎng)；當變頻器為單向型、配置有泄放電阻時，屬于耗能式，曳引機產(chǎn)生的電能直接通過電阻進行消耗。

電梯節(jié)能的基本原理是利用了平衡重與轎廂之間的勢能差，通過曳引機將這部分勢能轉(zhuǎn)化為電能。

圖3 電梯基本組成

設轎廂的質(zhì)量為M1，額定載重為M2，實際載重為M3，平衡重質(zhì)量為M4，轎廂運行高度為h，根據(jù)電梯設計標準，M4＝M1+KM2（K＝0.4～0.5），不考慮其他損耗，則在電梯運行過程中，產(chǎn)生的勢能差為：

通過曳引機發(fā)生或消耗的電能（不考慮損耗）為：

由上式可以看到，對于一部電梯來說，K、g、M2均為常量，因此其運行過程中產(chǎn)生或者消耗的電能僅與實際載重及運行高度有關，且呈正比關系。當電梯滿載上行（M3＝M2）或者空載下行（M3＝0）時，曳引機反饋的電能最大。

2.2 系統(tǒng)組成

雙電層超級電容節(jié)能系統(tǒng)框圖如圖4 所示，主要由雙電層超級電容器、雙向DC/DC、泄放電阻、CMS 組成，各部件并聯(lián)在整流器和逆變器之間的直流母線上。

根據(jù)電梯節(jié)能原理可知，當電梯重載上行或者輕載下行時，曳引機發(fā)生電能，導致直流母線電壓升高，節(jié)能系統(tǒng)檢測到母線電壓升高后，DC/DC 啟動，對超級電容充電，穩(wěn)定母線電壓；當電梯輕載上行或者重載下行時，曳引機消耗電能，導致直流母線電壓降低，節(jié)能系統(tǒng)檢測到母線電壓下降后，DC/DC 啟動，超級電容對外放電，與工頻電網(wǎng)共同穩(wěn)定母線電壓，從而減少取自電網(wǎng)的電能，達到節(jié)能目的；當超級電容或者DC/DC 等部件發(fā)生故障時，開關S1吸合，節(jié)能系統(tǒng)切換到泄放電阻模式，曳引機發(fā)生的電能通過電阻消耗，保證電梯正常運行。

圖4 超級電容節(jié)能系統(tǒng)框圖

2.3 節(jié)能系統(tǒng)能量計算

雙電層超級電容器的能量Q計算公式為：

式中：C為電容值，F(xiàn)；ΔU為電壓變化量，V。

則節(jié)能系統(tǒng)需要的雙電層超級電容容量：

式中：k是雙電層超級電容器的充放電效率，通常k≥95%。

需要注意，由于受到DC/DC 工作電壓的限制，雙電層超級電容器通常會在額定電壓和半電壓之間使用。

2.4 工作模式

2.4.1 電梯待機

節(jié)能系統(tǒng)在升壓狀態(tài)，將超級電容電壓升壓從而維持變頻器直流母線電壓穩(wěn)定在DC600 V，直到超級電容電壓欠壓為止。電控柜的全部功率都由節(jié)能系統(tǒng)提供，達到盡快釋放超級電容能量的目的，使其在電梯運行時有足夠的空間回收能量。

2.4.2 超級電容吸電

當電梯輕載上行（M3＜M4）或重載下行（M3＞M4）時，曳引機發(fā)電，節(jié)能系統(tǒng)檢測到直流母線電壓上升后開始吸收電能，以穩(wěn)定母線電壓。節(jié)能系統(tǒng)對超級電容側(cè)電流執(zhí)行嚴格限流，比如200 A，使充電電流嚴格小于或等于200 A。

如果節(jié)能系統(tǒng)能完全吸收再生能量，節(jié)能系統(tǒng)將維持變頻器直流母線電壓在DC620 V；如果不能完全吸收，則直流母線電壓持續(xù)上升直到開關S1吸合，額外能量由泄放電阻消耗掉。

2.4.3 超級電容釋電

當電梯重載上行（M3＞M4）或輕載下行（M3＜M4）時，曳引機耗電，節(jié)能系統(tǒng)檢測到直流母線電壓下降后開始對外放電，以穩(wěn)定母線電壓，但嚴格限制超級電容端放電電流，最大不超過200 A。

如果電梯需求功率小于節(jié)能系統(tǒng)提供功率，則由節(jié)能系統(tǒng)提供全部功率，變頻器直流母線電壓維持在DC600 V；如果電梯需求功率大于節(jié)能系統(tǒng)提供功率，則節(jié)能系統(tǒng)提供部分功率，變頻器直流母線電壓由電網(wǎng)電壓決定。

2.4.4 應急平層

關于電梯的應急平層功能，已經(jīng)具有部分應用的案列，其功能主要是當電梯在運行中突然發(fā)生斷電后該系統(tǒng)自動啟動使轎廂在就近層站?？浚瑢愚I門開啟，乘客即時安全疏散。然而，如果系統(tǒng)考慮不當，反而會引起電梯出現(xiàn)新的問題。2001年和2003年分別就發(fā)生了2 起由于應急平層裝置引發(fā)的電梯事故[10]。

本方案設計的應急平層功能主要是從前端供電側(cè)進行優(yōu)化。市電停電而電梯待機時，節(jié)能系統(tǒng)給電梯提供全部功率，并將失電信息傳輸給電梯控制系統(tǒng)，電梯將停止召喚請求，打開轎門，停止工作；電梯運行狀態(tài)時，節(jié)能系統(tǒng)向變頻器直流母線供電，并將失電信息傳輸給電梯控制系統(tǒng)，電梯應立即減速并停泊至最近樓層，停止召喚請求，打開轎門，停止工作。不論是何種狀態(tài)下停電，乘客都沒有劇烈的停頓感，不會立即感受到停電的恐懼，電梯均會逐步減速停止，防止乘客人身事故，提高乘客乘坐體驗感。

2.5 樣機試驗

為驗證本系統(tǒng)實際節(jié)能效果，研制了一臺樣機，樣機實物如圖5所示，并將本系統(tǒng)安裝到某樓宇的機房內(nèi)進行連續(xù)7天試運行。運行結(jié)果如圖6所示。

圖5 樣機外觀圖

圖6 測試結(jié)果

從圖中可以看到，隨著本超級電容節(jié)能系統(tǒng)的介入，電梯耗電量有明顯的下降，平均節(jié)電率在30%以上。由于實驗電梯本身帶有耗能電阻，在節(jié)能系統(tǒng)介入前后，使用測溫槍分別對電梯本身電阻進行了溫度測量，數(shù)據(jù)顯示，耗能電阻溫度從節(jié)能系統(tǒng)介入前的71.8 ℃下降到了27.4 ℃，有效改善機房溫度環(huán)境，降低對機房空調(diào)功率的需求，有利于進一步降低電梯機房能耗。

3 結(jié)束語

本文設計了一套基于雙電層超級電容器的電梯節(jié)能及應急平層系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以吸收電梯運行過程中曳引機發(fā)生的電能，并在電梯耗電時對直流母線進行饋能，既降低了電梯能耗，又避免了對工頻電網(wǎng)的諧波污染，系統(tǒng)安裝簡單，可靠性高，經(jīng)過樣品試驗，節(jié)電率大于30%，節(jié)能效果良好。