姚可維

（廣東省特種設(shè)備檢測(cè)研究院， 廣東廣州 510655）

0 引言

電梯節(jié)能在提高建筑能效方面的重要性越來(lái)越受到重視。然而，對(duì)節(jié)能的全面研究仍在進(jìn)行中。最近，通過(guò)能量回收實(shí)現(xiàn)節(jié)能的電梯系統(tǒng)備受關(guān)注， 其中最具吸引力的解決方案是連接到電梯驅(qū)動(dòng)器直流鏈路的儲(chǔ)能系統(tǒng)，其中回收存儲(chǔ)的能量， 可用于降低峰值負(fù)載或?yàn)槠渌O(shè)備供電。 本文提出了一種用于電梯應(yīng)用的基于超級(jí)電容器的儲(chǔ)能系統(tǒng)， 該系統(tǒng)由一個(gè)六相交錯(cuò)式直流變壓器和一個(gè)超級(jí)電容器組組成。根據(jù)某現(xiàn)有電梯的參數(shù)，建立了仿真模型， 比較了一個(gè)運(yùn)行周期內(nèi)帶有和不帶有該電梯儲(chǔ)能系統(tǒng)的能耗，驗(yàn)證了本電梯儲(chǔ)能系統(tǒng)的良好節(jié)能效果。

1 電梯系統(tǒng)建模與驗(yàn)證

為了測(cè)試電梯儲(chǔ)能系統(tǒng)，首先對(duì)電梯系統(tǒng)建模。該儲(chǔ)能系統(tǒng)由變頻驅(qū)動(dòng)器、電機(jī)和機(jī)械系統(tǒng)組成。電梯系統(tǒng)的仿真模型如圖1 所示。

圖1 PLECS 中的電梯系統(tǒng)仿真模型

1.1 機(jī)械系統(tǒng)

電梯機(jī)械系統(tǒng)是根據(jù)某在用的電梯數(shù)據(jù)建模的。 懸掛比為2∶1， 對(duì)重質(zhì)量為額定載重的50%加上空車質(zhì)量。假設(shè)懸索的質(zhì)量、 隨行電纜的質(zhì)量和補(bǔ)償繩的質(zhì)量以及它們的動(dòng)力學(xué)可以忽略不計(jì)。

電機(jī)控制電梯的機(jī)械系統(tǒng)。 電機(jī)的扭矩計(jì)算如下：

式中：Tm—電機(jī)的轉(zhuǎn)矩；Ftot—牽引繩輪上的總力；R—牽引繩輪的半徑；Jtot；總轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；ω—機(jī)軸角速度；D—機(jī)械系統(tǒng)阻尼系數(shù)。

總力Ftot取決于一側(cè)載有任何乘客的轎廂與另一側(cè)載有配重的轎廂之間的重量差。 所有機(jī)械系統(tǒng)損失均由根據(jù)機(jī)械系統(tǒng)在標(biāo)稱負(fù)載下的效率估算的阻尼系數(shù)D來(lái)計(jì)算。 仿真模型的輸入信號(hào)是負(fù)載質(zhì)量（m1） 和電機(jī)的速度（ω），輸出信號(hào)為電機(jī)轉(zhuǎn)矩（Tm）。

1.2 變頻器型號(hào)

在PLECS 中建模的變頻驅(qū)動(dòng)器示意圖如圖2 所示。它由三相二極管整流器、帶有電容器C4 和電感器L1 和L2的直流鏈路以及逆變器組成。電阻器R 作為電容器C4 的預(yù)充電電阻器。 由于三相二極管整流器在發(fā)電制動(dòng)時(shí)不能將能量回饋給電網(wǎng)，所以該能量在連接到端子B+和B-的制動(dòng)電阻上耗散。 晶體管T7 控制制動(dòng)電阻的散熱。 電梯儲(chǔ)能系統(tǒng)（EESS）連接到+UDC 和-UDC 終端，如圖2 所示。

圖2 電梯變頻驅(qū)動(dòng)器示意圖

變頻驅(qū)動(dòng)器由線路電壓為400V/50Hz 的三相系統(tǒng)供電。 因此，直流總線的預(yù)期標(biāo)稱電壓為565V，但可能在500V 和800V 之間變化（取決于負(fù)載和電源條件），因?yàn)檫@是商用變頻驅(qū)動(dòng)器的典型工作電壓。

2 儲(chǔ)能系統(tǒng)

本文提出的基于超級(jí)電容器（SC）的電梯儲(chǔ)能系統(tǒng)（EESS）由一個(gè)超級(jí)電容器（SC）組和一個(gè)六相交錯(cuò)式雙向直流變壓器組成。電梯儲(chǔ)能系統(tǒng)的原理圖如圖3 所示。電梯儲(chǔ)能系統(tǒng)連接到變頻驅(qū)動(dòng)器的直流總線， 能量通過(guò)雙向直流變壓器從電梯傳輸?shù)匠?jí)電容器組，反之亦然。超級(jí)電容器組用作能量存儲(chǔ)。

圖3 基于超級(jí)電容器（SC）的電梯儲(chǔ)能系統(tǒng)（EESS）示意圖

電梯儲(chǔ)能系統(tǒng)專為標(biāo)稱功率為10kW 的電梯驅(qū)動(dòng)器而設(shè)計(jì)。 通過(guò)六相交錯(cuò)式直流變壓器，以實(shí)現(xiàn)所需的最大輸出電流紋波，減小電感器體積并降低直流變壓器損耗。 電梯儲(chǔ)能系統(tǒng)仿真模型由直流變壓器、 超級(jí)電容器組和電梯儲(chǔ)能系統(tǒng)控制算法組成。

2.1 超級(jí)電容器組

超級(jí)電容器組的標(biāo)稱電壓通常在100V 至300V 的范圍內(nèi)[2]?？紤]到變頻驅(qū)動(dòng)器直流總線的標(biāo)稱工作電壓為565V， 直流變壓器的非隔離拓?fù)渥钸m合4∶1 或更小的變壓比，超級(jí)電容器組的標(biāo)稱電壓為300V。 超級(jí)電容器組的工作電壓范圍通常選擇在Un/2 到Un的范圍內(nèi)， 其中Un是標(biāo)稱電壓。 這樣， 超級(jí)電容器中存儲(chǔ)的總能量的75% 就被使用了。因此，為超級(jí)電容器組選擇的工作電壓范圍介于直流150V 和300V 之間。

由于超級(jí)電容器電池的典型標(biāo)稱電壓在1.2V 至3.5V的范圍內(nèi)， 因此必須串聯(lián)多個(gè)超級(jí)電容器電池以形成超級(jí)電容器組。每個(gè)超級(jí)電容器單元的電容容差可以在標(biāo)稱值的±20%之間變化， 這可能導(dǎo)致串聯(lián)連接的超級(jí)電容器單元上的電壓分布不均勻， 并且超級(jí)電容器單元上的電壓高于預(yù)期電壓。 高于標(biāo)稱電壓會(huì)導(dǎo)致更高的漏電流、增加氣體和超級(jí)電容器電池的整體破壞。為了解決超級(jí)電容器上電壓分布不均勻的問(wèn)題，使用平衡電路。考慮到整體模型的復(fù)雜性和超級(jí)電容器平衡電路的復(fù)雜性，采用具有相同特性的超級(jí)電容器電芯對(duì)超級(jí)電容器組進(jìn)行建模。它們的串聯(lián)表示可以建模為具有更高標(biāo)稱電壓的超級(jí)電容器。

超級(jí)電容器組中存儲(chǔ)的可進(jìn)一步使用的能量可按下式計(jì)算：

式中：Un—充電超級(jí)電容器組的標(biāo)稱電壓；C—超級(jí)電容器組的電容。經(jīng)計(jì)算，超級(jí)電容器組所需的最小電容為5.1F。

本文超級(jí)電容器組選擇的標(biāo)稱電壓為300V， 需要120 個(gè)標(biāo)稱電壓為2.7V 的超級(jí)電容器電池，每個(gè)電池的最大充電電壓為2.5V。電池所需的最小電容可以計(jì)算如下：

式中：N—串聯(lián)連接的超級(jí)電容器單元的數(shù)量；CSC_bank—超級(jí)電容器組所需的最小電容。對(duì)于本文所提出的電梯，每個(gè)電容的最小值應(yīng)為612F。 假設(shè)超級(jí)電容器組由400F電容并聯(lián)組成，以達(dá)到800F 的等效電容。當(dāng)120 個(gè)800F超級(jí)電容器串聯(lián)時(shí)，超級(jí)電容器組的標(biāo)稱電容為6.7F，比計(jì)算的超級(jí)電容器組的電容最小值大31%。

對(duì)于超級(jí)電容器組建模， 假設(shè)超級(jí)電容器組由240個(gè)400F/2.7V 并聯(lián)和串聯(lián)的電容組成。 400F 超級(jí)電容的等效串聯(lián)電阻約為3mΩ，假設(shè)兩個(gè)超級(jí)電容并聯(lián)時(shí)，等效串聯(lián)電阻為1.5mΩ。 120 對(duì)超級(jí)電容串聯(lián)時(shí)，等效串聯(lián)電阻為180mΩ。

2.2 直流變壓器

對(duì)于電梯儲(chǔ)能系統(tǒng)中使用的雙向直流變壓器， 存在三種常見(jiàn)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)：基本降壓/升壓、交錯(cuò)式降壓/升壓和雙有源橋式（DAB）[4]。 本文選擇的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是六相交錯(cuò)式直流變壓器。使用交錯(cuò)式直流變壓器，可以實(shí)現(xiàn)晶體管無(wú)開(kāi)通損耗，總電感體積小于基本降壓/升壓拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中的電感體積。通過(guò)減小直流變壓器的體積，電梯儲(chǔ)能系統(tǒng)可以更加緊湊并適合更緊湊的空間。 六相交錯(cuò)式直流變壓器的原理圖如圖4 所示。它由六個(gè)相組成，其中每個(gè)相由一個(gè)半橋和一個(gè)電感器構(gòu)成。

圖4 六相交錯(cuò)式降壓/升壓直流變壓器示意圖

對(duì)于直流變壓器的設(shè)計(jì)，必須指定工作電壓和電流。正在研究的電梯儲(chǔ)能系統(tǒng)的直流變壓器的工作電壓由電梯變頻器的直流母線電壓（500～800V）和超級(jí)電容器組工作電壓（150～300V）決定。 電流值由直流變壓器所需的峰值功率決定。 如果要在整個(gè)工作電壓范圍內(nèi)保持超級(jí)電容器的恒定功率，則電流必須隨電壓變化。 因此，電梯儲(chǔ)能系統(tǒng)中使用的直流變壓器的峰值輸出功率設(shè)置為電梯標(biāo)稱功率的80%左右。在這種情況下，這對(duì)應(yīng)于8kW 的峰值功率。 超級(jí)電容器的最大電壓為300V，這導(dǎo)致超級(jí)電容器組電流約為27A。

在仿真模型中，晶體管被建模為理想狀態(tài)，但晶體管導(dǎo)通和開(kāi)關(guān)損耗是用連接到直流總線的可變電流源建模的。 考慮到所有建模損耗，直流變壓器在最大功率和600V直流總線上的效率約為95%。

交錯(cuò)式直流變壓器的控制是通過(guò)控制每個(gè)相的PWM 信號(hào)之間的相移實(shí)現(xiàn)的，相移為2π/N，其中N 是相數(shù)。 在這種情況下，相移為π/3。 PI 控制器用于通過(guò)控制每相PWM 信號(hào)的占空比來(lái)控制超級(jí)電容器電流。每種模式（降壓和升壓）都有自己的PI 控制器來(lái)控制超級(jí)電容器組的充電和放電電流。 在降壓模式下，T2n晶體管（n 在1 到6 的范圍內(nèi)）關(guān)閉，而T2n-1晶體管由PWM 控制。 在升壓模式下，情況正好相反：T2n-1晶體管關(guān)閉，而T2n晶體管由PWM 控制。 在每種模式（即降壓和升壓）中，都會(huì)測(cè)量超級(jí)電容器組電流，并據(jù)此確定PWM 的占空比。 為了控制每個(gè)相位，交錯(cuò)式變壓器的每個(gè)相位都有自己的PWM發(fā)生器，該發(fā)生器具有相移。由于直流變壓器必須能夠在各種模式之間切換，因此PI 控制器具有在每個(gè)模式下重置控制器積分功能的功能。

3 仿真結(jié)果

帶有電梯儲(chǔ)能系統(tǒng)的電梯系統(tǒng)仿真模型如圖5 所示。

圖5 帶有電梯儲(chǔ)能系統(tǒng)的電梯系統(tǒng)仿真模型

參考周期包括從底層到頂層和從頂層到底層運(yùn)行空載電梯。 當(dāng)對(duì)重質(zhì)量等于轎廂質(zhì)量和50%對(duì)重質(zhì)量之和時(shí)， 參考周期代表電梯運(yùn)行時(shí)盡可能高的再生能源生產(chǎn)（當(dāng)電梯從底層運(yùn)行到頂層時(shí)）和盡可能高的能源消耗（當(dāng)電梯從頂層運(yùn)行到底層時(shí)）。 因此，在參考周期期間可以實(shí)現(xiàn)高節(jié)能。

參考周期期間的速度設(shè)定點(diǎn)和負(fù)載曲線如圖6（a）所示。電梯首先以再生模式運(yùn)行， 將能量存儲(chǔ)在超級(jí)電容器組中，然后以電機(jī)模式運(yùn)行，能量用于電機(jī)運(yùn)行。假設(shè)超級(jí)電容器組的初始電壓為200V。 電梯儲(chǔ)能系統(tǒng)中直流母線的參考電壓設(shè)置為600V。 結(jié)果如圖6 所示，將帶有電梯儲(chǔ)能系統(tǒng)的電梯系統(tǒng)與不帶有電梯儲(chǔ)能系統(tǒng)的電梯系統(tǒng)進(jìn)行了能源消耗的比較。

圖6 參考周期的仿真結(jié)果

圖6（b） 顯示了帶有和不帶有電梯儲(chǔ)能系統(tǒng)的電梯系統(tǒng)的輸入功率?？梢钥闯?，電梯儲(chǔ)能系統(tǒng)將電網(wǎng)的峰值功率降低了約43%。此外，帶有電梯儲(chǔ)能系統(tǒng)的電梯系統(tǒng)的總能耗為103kJ，而不帶有電梯儲(chǔ)能系統(tǒng)的總能耗為215kJ。 使用電梯儲(chǔ)能系統(tǒng)，在參考循環(huán)期間可實(shí)現(xiàn)約52%的節(jié)能。

4 結(jié)束語(yǔ)

當(dāng)今社會(huì)電梯數(shù)量龐大， 實(shí)現(xiàn)電梯節(jié)能促進(jìn)可持續(xù)發(fā)展。經(jīng)過(guò)以上仿真驗(yàn)證，本論文所提出的帶有電梯儲(chǔ)能系統(tǒng)的電梯系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)良好的節(jié)能效果， 有助于提高能源的利用效率，實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排。