超級電容儲能式電梯應用研究

羅志群， 萬健如， 黃紹倫， 韓偉偉

(1．天津大學電氣與自動化工程學院，天津300072;2．廣東省特種設備檢測研究院，廣東廣州501655)

超級電容儲能式電梯應用研究

羅志群1，2， 萬健如1， 黃紹倫2， 韓偉偉1

(1．天津大學電氣與自動化工程學院，天津300072;2．廣東省特種設備檢測研究院，廣東廣州501655)

針對現有的回饋并網型電梯節能技術存在的并網諧波及干擾的不足，設計了基于超級電容儲能裝置的儲能式電梯系統。通過雙向DC－DC變換器實現電梯回饋能量的存儲與再利用;同時針對電梯系統，對超級電容儲能裝置的參數設計并給出了分析方法。仿真及樣機實驗結果表明，該系統能夠實現回饋能量的有效利用，節能效果達到26%，并且保持原轉矩和速度的平穩性，超級電容儲能裝置未對原有電梯系統的舒適性和安全性造成影響。

超級電容;電梯;儲能;節能;參數選擇

0引言

據國家特種設備主管部門近期的統計，截止到2013年第一季度我國電梯在用量已達250萬臺，是全球在用電梯最多的國家。2012年全國生產電梯43多萬臺，產量居世界第一;近幾年我國電梯年均增長率在20%以上，我國已成為全球最大的電梯市場、最大的電梯制造基地、最大的電梯出口國。隨著新裝電梯數量的高速增長，巨大的電梯能耗已經受到各國政府及相關部門的重視，如何提高電梯節能水平，已成為國家和電梯業界共同關注的課題。

電梯作為一種特殊的“垂直交通工具”，本身特點就具有節能潛質:在輕載上行、重載下行時兩種工況下處于再生發電狀態，能夠“回饋電能”。國外根據電梯能否有效利用這部分能量，將電梯分為“耗能型”和“回饋型”。中國電梯協會曾根據2006年國內的電梯現狀進行了預測，如果80%的電梯采用節能電梯，全年能夠節省約122億kWh的電能;到2015年，如果所有電梯均采用節能電梯，全年能夠節省約800億kWh的電能，相當于三峽大壩一年總發電量。因此，電梯具有巨大的節能潛力，開展電梯節能技術研究，具有特別重要的經濟效益和社會意義。

目前“回饋節能型”電梯采用的技術是加裝能量回饋裝置，將電梯的再生能量通過逆變裝置回饋電網中，以達到節約電能的目的［1］。目前市場上已經推出幾種功率等級的產品:如德國西門子公司推出了電機四象限運行的電壓型交－直－交變頻器;日本富士公司推出了RHR系列、FRENJC列電源再生單元，把有源逆變單元從變頻器中分離出來，直接作為變頻器的一個外設裝置，并聯到變頻器的直流側，將再生能量回饋到電網中。這些產品雖然能夠將電梯制動的能量回饋到電網，但回饋電能的并網問題仍然沒有很好解決，會對電網造成一定的負面影響［2］，在國內推廣受到限制。

隨著超級電容技術的興起，儲能技術在電梯節能上的應用成為新的研究熱點。超級電容因其具有壽命長、充放電速率快、高低溫性能好、能量管理簡單、環境友好等優點，在新能源、電力系統、電動汽車等領域已經得到了應用，而在電梯上的應用研究國內尚處理論研究階段，超級電容儲能系統的實際節能效果及對電梯系統的影響應用研究鮮有報道。

基于上述背景，為進一步促進我國電梯節能技術的發展，提高電梯節能降耗水平，筆者以國內占電梯總數80%的垂直升降的客梯為研究對象，設計并研制了超級電容儲能式電梯，對超級電容儲能裝置參數選擇進行了研究，通過超級電容儲能裝置將電梯回饋的電能儲存，并在需要時向電梯及其輔助裝置供電，一方面實現回饋電能的實時循環利用，節能降耗;另一方面減少對電網的諧波污染，達到潔凈節能的目的［3］;另外，超級電容儲能裝置可以作為EPS能源使用，在突然斷電的情況下為電梯提供必要電能使其就近平層，實現有效的緊急救援。為進一步驗證超級電容儲能式電梯的實際運行效果，對2.5m/s的電梯進行了實驗研究。

1 建模及參數設計

1.1 超級電容儲能式電梯結構及功能

超級電容儲能式電梯原理結構圖如圖1所示［4］。與現有電梯區別是，在直流母線電容與交流電網之間加裝了超級電容儲能式裝置。

為了更合理的利用電能，對超級電容設置了儲能上、下限閾值，設計的超級電容儲能系統功能主要有:

1)回饋電能存儲:當電梯處于再生電能工況時，回饋到DC Bus的再生能量快速儲存到超級電容器組中，在此過程中，控制使得直流母線電壓udc始終穩定在510～680 V內。在這個過程中，如果檢測到超級電容器組端電壓越過上限，則立即關閉雙向DC－DC，并打開并聯在變頻器直流母線的泄放電路，將多余能量進行泄放。

2)功率輸出補償:當電梯處于耗能運行工況時，超級電容儲能裝置向直流母線輸出功率，將儲存的能量輸出進行功率補償，實現回饋電能儲存的再利用，同時控制直流母線電壓udc始終穩定在510～680 V內。在此過程中，如果檢測到超級電容器組端電壓降至輸出下限值時，立即關閉雙向DC－DC，退出功率補償狀態。

3)輔助系統供電及EPS緊急救援:當電梯運行過程中突發電網停電，超級電容儲能系統充當EPS應急電源［5］，向電梯輸出功率實現就近平層及開關門，實現緊急救援，并由超級電容器儲能系統輸出能量，轉換為220 V交流電供給照明、通風、控制等輔助系統。

1.2 超級電容儲能系統設計及建模

為實現上述三種功能，筆者設計的超級電容儲能系統的原理結構圖如圖2所示。

由于超級電容器組在充、放電過程中，端電壓變化范圍很大，充放電電流大小也需要限制。為此，設計了雙向DC－DC變換電路，通過升降壓控制實現電壓變換及電流限幅。為實現輔助系統供電及緊急救援時的功能，設計EPS模塊:當電網正常時，由電網向輔助系統供電;當市電斷電且儲能系統電量充裕時，控制器啟動逆變器，由市電供電狀態切換到逆變器供電狀態;當市電恢復或儲能系統電能低于儲能下限閾值，切換到市電供電狀態。

雙向DC－DC變換器的拓撲主要有非隔離型和隔離型兩種。從控制閾值角度看，儲能裝置對電壓增益要求不是很苛刻，因此選擇低成本且控制高效的非隔離型雙向DC－DC變換器進行建模及應用研究。對于超級電容來說，常用的數學模型有德拜電池模型、傳輸線模型、集總參數電路模型等［6］。其中集總參數模型，將超級電容器等效為一個理想電容器CF與一個阻值較大的等效電阻Rep并聯之后再串聯一個阻值較小的等效電阻Res［7］，適合建模分析。基于雙向DC－DC變換器的超級電容儲能系統電路模型如圖3所示。

為實現電壓控制及電流限幅，對于雙向DC－DC變換器采用雙環控制方法，外環為電壓環，控制直流母線電壓恒定;內環為電流環，在加快充放電動態響應的同時對電流進行限幅控制［8］。

1.3 超級電容儲能系統參數設計

超級電容儲能系統的參數選擇需要從兩個角度考慮:一是成本;二是應用場合。

設超級電容電壓上下限閾值分別為:Umax、Umin，為使超級電容獲得較高的充放電效率，減少深度充放電造成的超級電容壽命縮短，充放電深度D應滿足式(1)

考慮到雙向DC－DC變換器與超級電容器組配合問題，為降低儲能系統成本同時保證變換器工作在高效狀態［9］，兩閾值應滿足式(2)，其中Udc為直流母線電壓:

實現緊急救援功能時的超級電容輸出功率Pc、對應的超級電容器組的輸出電流Ic以及曳引機拖動轎廂就近平層的輸出功率Py應滿足式(3)

對于單梯系統，超級電容器組總容量Csc按照功率補償空間能夠滿足回收電梯空載上行、滿載下行一個行程周期所產生全部再生能量的要求進行設計，如式(4)

式中:η1為超級電容充放電效率及變換器轉換效率的等效系數;η2為曳引電機發電效率、逆變器轉換效率、機械系統效率以及加減速動能損耗等的等效系數;W為電梯空載上行、滿載下行一個行程周期理論上能夠產生的最大再生能量。

根據實際電梯系統，由式(1)～式(4)選擇超級電容器組容量。

對于雙向DC－DC變換電路，如圖3所示，儲能電感L的作用是限制充電電流峰值、減少開關損耗，儲能電感L的選擇由式(5)選取，當電感電流臨界連續時有

式中:P為超級電容最大有功功率，即電梯運行所需最大功率;fs為開關頻率;D2取變換器工作在Boost電路模式下開關管VT2的最小占空比［10］。

對于直流母線電容C，由于充放電所引起的電壓變化公式為

D2取變換器工作在Boost電路模式下開關管VT2的最小占空比［10］，結合實際系統余量，由式(5)、式(6)設計儲能電感和直流母線電容值。

2 仿真及實驗研究

2.1 仿真分析

為驗證超級電容儲能式電梯功能，在SIMULINK中搭建了電梯系統模型。仿真參數見表1。

分別模擬電梯輕載、重載上下行過程，在重載下行、輕載上行時，電梯處于再生能量回饋狀態，雙DC工作在Buck模式下，VT2始終關斷，VT1在調制后的占空比下周期性的開通與關斷，其中載波頻率為20 kHz，采用超級電容電壓外環與充電電流內環雙閉環控制，外環PI參數為:100，1;內環PI參數為: 0.1，100，設異步電動機負載轉矩為－60 N·m，仿真波形如圖4所示。

如圖4電梯重載下行、輕載上行仿真波形所示，0～8.9 s，曳引機處于能量回饋狀態，回饋的能量以50A的電流向超級電容充電，同時維持直流母線電壓為540 V左右。8.9 s時，超級電容電壓到達220V，雙DC電路停止工作，因此8.9～14 s時，回饋的能量經電梯的泄放電路被消耗掉，直流母線電壓為580V左右。

在重載上行、輕載下行時，電梯處于電動耗能狀態，雙DC工作在Boost模式下，VT1始終關斷，VT2在調制出的占空比下周期性的開通與關斷，其中載波頻率為20 kHz，采用直流側電壓外環與放電電流內環的雙閉環控制。電壓外環PI參數為:0.1，50;電流內環PI參數為:0.8，100。負載轉矩為60N·m，仿真時間為14 s，仿真波形如圖5所示。

如圖5電梯重載上行、輕載下行仿真波形所示，在0～0.4 s內，電梯處在啟動加速狀態，啟動電流較大，曳引機從變頻器汲取較大的啟動能量，因此電梯變頻器直流母線電壓出現較大波動。在0～9.8 s內，電梯啟動、加速再到勻速，曳引機此時處于電動狀態，超級電容以55 A的電流向直流母線放電，同時維持直流母線電壓在510～540 V。9.8 s時，超級電容電壓下降到180 V，雙DC－DC電路停止工作，因此9.8～14 s時，電梯消耗的能量全部來源于電網，直流母線電壓為510～540 V。

由上述仿真波形可以看出，超級電容儲能裝置能夠實現電梯回饋能量的存儲與再利用，當裝置工作時，直流母線電壓能夠保持在規定范圍內(510～600 V)，當超級電容儲能系統電壓超過設定的上下限閾值時，能夠實現相應的保護，而且在超級電容的投入和退出時，曳引機的轉速和電磁轉矩基本仍能保持平穩，因此超級電容的引入不會影響電梯的舒適感和穩定性。通過仿真研究可知，此方案可行。

2.2 實驗研究

為驗證超級電容儲能式電梯實際運行效果，設計并研制了一臺樣機，樣機控制柜實物如圖6所示。

實驗電梯額定載荷量為1 000 kg，電梯速度為2.5m/s，曳引機額定功率16.3 kW，提升高度為69m。設定直流母線電壓為580 V，結合式(1)～式(4)，取Umax=240 V、Umin=175 V，η1=0.9，η2=0.8，計算得到Csc=45F，考慮樣機儲能余量，取超級電容器組總容量Csc=75F。結合式(5)、式(6)，開關頻率取10 kHz，D2取0.3，并保留余量，取儲能電感 L= 0.5mH，直流母線電容C=0.22mF。

滿載情況下，使超級電容儲能式電梯做上下往返運動，實驗裝置波形如圖7所示。

從實驗波形可以看出，樣機實際波形與仿真波形一致。滿載上行時，電梯處于耗能狀態，超級電容端電壓降低，輸出電能進行功率補償，當降低到設定的下限閾值時，雙DC－DC變換器關閉，暫停功率補償;滿載下行時，電梯處于再生能量回饋狀態，直流母線電壓升高，回饋到直流母線的電能通過雙DCDC變換器存儲到超級電容中，超級電容器組端電壓升高。

采用參考行程法進行50次實驗，分別對超級電容儲能式電梯和加裝能量回饋裝置的電梯能耗進行測量，并與不加裝節能裝置的電梯能耗進行對比，如表2、表3所示。

對比可以看出，超級電容儲能式電梯總體節能效果可達26%，與加裝能量回饋裝置的電梯相比，總體節能效果提高6.6%，這是由于DC－DC的轉換效率比DC－AC高。

加裝超級電容儲能系統前后電網A相電流頻譜分析如表4所示。

1)仿真及實驗結果表明，設計的超級電容儲能系統能夠實現能量存儲、功率補償及輔助系統供電和緊急救援功能;

2)樣機能耗實驗測試結果表明，超級電容儲能式電梯能夠實現電梯回饋能量的有效利用，總體節能效果達到26%;

3)與能量回饋電網節能型電梯相比，超級電容儲能式電梯節能效果提高6.6%，同時避免了并網時給電網帶來的諧波干擾，而且從諧波分析來看，超級電容儲能式電梯在功率補償時對諧波有一定的改善作用，可作為進一步研究方向;

4)超級電容通過雙DC－DC掛接到變頻器的直流母線上，且超級電容有獨立的充放電控制電路，并沒有改變原有的電梯控制電路，在控制超級電容充放電時，要保證直流母線的電壓與加裝超級電容之前在同一個范圍內，為了進一步確保電梯運行的可靠性，保留了電梯原有的泄放電路。因此超級電容作為儲能元件加載到直流母線上，不會對電梯原有運行性能造成影響，也不會影響電梯的可靠性。

5)考慮到電梯安全等因素，超級電容儲能式電梯保護系統的設計及電磁兼容問題是未來研究的重點。

通過諧波頻譜分析可以看出，當電梯處于發電運行工況(重載下行、輕載上行)時，加裝超級電容儲能裝置后THD值較高，但此時電網輸出電流較小，對電網帶來的影響不大;當電梯處于耗能運行工況時(重載上行、輕載下行)，加裝超容系統后諧波變小。

3結論

對超級電容儲能式電梯進行了建模仿真及實驗研究，得到以下研究結論:

［1］ HE Jinping，MAO Chengxiong，LU Jiming．Design and implementation of an energy feedback digital device used in elevator［J］．IEEE TRANSACTIONSON INDUSTRIALELECTRONICS，2011，58(10):4636－4642．

［2］ LI Bin，Wan Jianru，LIMingshui，et al．Research on elevator drive device with super capacitor for energy storage［C］//2011 4th International Conference on Power Electronics Systems and Applications，Hong Kong，China，2011:1－5．

［3］ 楊惠．基于雙向DC－DC變換器的超級電容器儲能系統研究，

西安理工大學學報［J］．2011，27(4):456－460．

YANG Hui．Research on a super capacitor energy storage system based on bi-directional DC－DC converter［J］．Journal of Xi’an U-niversity of Technology，2011，27(4):456－460．

［4］ ZHOU H，KHAM A M．Hybrid modulation for dual-active-bridge bidirectional converterwith extended power range for ultracapacitor application［J］．IEEE Transactions on Industry Applications，2009．45(4):1434－1442．

［5］ Wei Songlin，Chen Hongzheng．Energymanagementof a fuel cell/ ultracapacitor hybrid power system using an adaptive optimalcontrolmethod［J］．Journal of Power Sources，2011，196(6): 3280－3289．

［6］ ANTONIS Orphanou，TOSHISHIGE Yamada，CARY Y YANG．Modeling of a carbon nanotube ultracapacitor［J］．Nanotechnology，2012，23．［7］ 高明遠．雙向DC－DC變換器基于切換系統的建模與儲能控制［J］．電力系統保護與控制，2012，40(3):129－134．GAOMingyuan．Modeling and energy storage control for bi-directional DC-DC converter based on switching system［J］．Power System Protection and Control，2012，40(3):129－134．

［8］ GAO Jing，YAO Suying，XU Jiangtao．Design of a high efficiency boost DC-DC converter［J］．Transactions of Tianjin University，2009，15:350－354．

［9］ Grbovic，P J，Philippe Delarue．Modeling and control of the ultracapacitor-based regenerative controlled electric drives［J］．IEEE Transactions on Industrial Electronics，2011，58(8):3471－3484．

［10］ 馬奎安．超級電容器儲能系統中雙向DC/DC變流器設計［D］．浙江:浙江大學，2010．

(編輯:劉素菊)

Research and app lication to super-capacitor for elevator energy-saving

LUO Zhi-qun1，2， WAN Jian-ru1， HUANG Shao-lun2， HANWei-wei1
(1．School of Electrical Engineering and Automation，Tianjin University，Tianjin 300072，China; 2．Guangdong Institute of Special Equipment Inspection and Research，Guangzhou 501655，China)

To solve the problem of harmonics and interference when the elevator energy feedback device was applied，an elevator energy-storage system with super-capacitor was studied and designed．The feedback energy can be stored and reused by using bi-directional DC-DC converter．Based on this elevator system，the parameter designmethod of super-capacitor energy-storage devicewas discussed in detail and a specific principlewas proposed．Simulation and experimental results show that this designed system realizes the effective feedback energy，and 26%considerable energy-saving is reached．Furthermore，there is no negative impact on either comfortable sensation or safety．

super-capacitor;elevator;energy storage;energy-saving;parameter design

10．15938/j．emc．2015．06．009

TM 921.4

A

1007－449X(2015)06－0055－07

2013－07－07

國家質檢總局公益性行業科研專項資助項目(201310153)

羅志群(1970—)，男，博士研究生，教授級高級工程師，研究方向為電力電子與電力傳動;

萬健如(1950—)，男，博士生導師，教授，研究方向為電力電子與電力傳動;

黃紹倫(1988—)，男，碩士，助理工程師，研究方向為電力電子變換技術;

韓偉偉(1990—)，男，碩士，研究方向為超級電容協同控制電梯節能方法研究。

萬健如