一種低成本電梯節能控制技術

冷文學(中國石油天然氣股份有限公司遼河油田分公司高升采油廠 遼寧 盤錦 124125)

一、引言

電梯在制動時會產生大量能量，傳統上通常采用兩種方案進行處理。一種是采用制動電阻消耗，這種方案會造成能量的巨大浪費[1]；另一種是采用先進的逆變技術將這部分能量回饋到電網[2]，但是這種方案或多或少地會對電網產生諧波污染，并且用戶無法向電網賣電，甚至回饋電網的電也要收費，用戶無節能收益，積極性不高。

近年來，基于能量存儲的節能系統被提出，這種類型的節能系統在電梯曳引機處于制動狀態時存儲能量而在曳引機處于電動狀態時釋放能量。天津大學的萬健如提出將超級電容組作為存儲裝置經過接觸器直接并聯到變頻器直流母線上。其方案的缺點在于超級電容放電時其工作電壓要在母線電壓之上，導致超級電容串聯單體數目過多，成本高。文獻[3-5]中提出了基于“雙向DC/DC+超級電容”結構的電梯節能系統，取得了良好的節能效果，但這種拓撲在選擇超級電容時還是基于吸收全部的電梯制動能量，仍然具有成本高的缺陷。

以上所提出的方案多需要大容量的電池/超級電容以獲得足夠的存儲空間，因此成本普遍很高。在此基礎上，本文提出了一種既有雙向DC/DC和超級電容，又有制動電阻的新型電梯節能系統。該節能系統僅需要小容量的超級電容，因此具有成本低的優勢。

二、系統結構

超級電容通過Buck-boost型雙向DC/DC并聯到直流母線，解決了超級電容電壓與直流母線電壓不匹配的問題，所需配置的超級電容容量小，造價低。制動電阻通過制動單元并聯在變頻器直流母線，吸收了超級電容無法回收的回饋能量。

三、成本分析

為了方便分析計算，本文中涉及的電梯工況均按如下給出：電梯轎廂質量1200kg，額定載重量1000kg，對重質量1700kg，速度1.75m/s，加速度0.8m/s2，加加速度1.8m/s3，樓高30m，10層。電梯按照圖2所示的情況運行：頂層到次頂層電梯運行1層；次頂層到中間層運行3層；中間層到次底層運行4層；次底層到底層運行1層，在此基礎上循環運行。開機前進行5min的自檢，其他樓層間歇時停6s方便乘客進出轎廂。

本文中電梯壽命按10-15年計算。電費價格pe按照民用電0.55元/度計算，市場上超級電容的價格pc為120元/k J，雙向DC/DC價格pD為400元/kw，制動電阻價格pR為60元/kw。給定負載工況下電梯曳引機產生的最大尖峰功率為12.77kw，據此雙向DC/DC和制動電阻功率pD、pR都選為13kw。

1.傳統方案的成本分析

按照超級電容能夠吸收一個循環工況下的全部制動能量原則匹配超級電容時，應遵循最大原則，即超級電容至少應該能夠吸收0%負載工況下的全部能量w0%。用戶購置節能設備成本p1為：

代入數值得到p1=13138(元)。

2.本文提出方案的成本分析

按照本文提出的超級電容只吸收一個循環工況下的部分制動能量，其他能量由制動電阻消耗的原則匹配超級電容。在節能系數為k的條件下，用戶購置節能設備成本p2為：

代入數值得到p2=5334k+5980(元)。

3.兩種方案對比分析

從兩方案的成本函數p1、p2中容易看出，當節能系數從0到1變化時，p2始終小于p1，說明本文提出的方案與傳統方案相比，具有成本上的優勢。注意，本文中當k=1時，并不代表匹配的超級電容能夠回收全部能量，而是能夠吸收平均能量(88.9k J)。所以按照本文提出的方案匹配的超級電容肯定要比傳統方案中的規格小，價格低。

四、仿真分析

當電梯曳引機處于制動狀態并且超級電容電壓未達到上限時，雙向DC/DC工作于降壓模式，為超級電容充電。在此過程中如果出現超級電容滿電的狀況，則將制動電阻切入到電路中消耗過剩能量。

當曳引機處于電動狀態并且超級電容電壓未降至下限時，雙向DC/DC工作于升壓模式，超級電容放電。如果超級電容電能釋放到下限，則雙向DC/DC停止工作，由電網為曳引機供電。

超級電容組工作電壓在135-270V，在曳引機電動時提供曳引機所需功率，直至放電至電壓下限。假設超級電容組電壓在循環工況開始前為220V，由曳引機輸出轉速及轉矩波形、超級電容充放電電流及端電壓波形、曳引電機功率波形與電網輸出功率波形關系可以看出，超級電容在電動初始狀態時提供全部能量，其余能量由電網提供，節能效果明顯；發電狀態時回收了部分回饋能量，其余能量在制動電阻上消耗掉。

五、結論

本文分析了現有電梯節能典型技術的優缺點，設計了既能實現電梯節能目的，仿真結果表明該系統的節能效果明顯。

[1]劉博宇.基于超級電容的電梯節能控制系統研究與設計[D].南京：南京理工大學.2010:1-1.

[2]冷增祥.有源逆變器用于電梯節能[J].電源技術應用,2007(07):9-11.