基于模糊控制策略的超級電容節能電梯研究

冀國郡，王云亮

(1.天津理工大學自動化學院，天津300384；2.天津理工大學天津市復雜系統控制理論及應用重點實驗室，天津300384)

基于模糊控制策略的超級電容節能電梯研究

冀國郡1，王云亮2

(1.天津理工大學自動化學院，天津300384；2.天津理工大學天津市復雜系統控制理論及應用重點實驗室，天津300384)

在分析電梯變頻調速及工作過程中能量流向的基礎上，針對電梯回饋能量的回收利用，設計了一種利用超級電容節能的拓撲結構，并提出了一種基于模糊控制的控制策略，采用Matlab/simulink軟件進行了仿真，仿真和實驗結果都表明超級電容儲能的節能系統能夠在電機制動時回收制動能量，從而驗證了這種節能方案的可行性和基于模糊規則的能量管理方法的有效性。

超級電容；模糊控制；節能電梯；直流母線

采用變頻調速系統的電梯要求電機能夠四象限運行，當電梯快速制動以及電梯輕載上行或重載下行時，電機處于再生發電狀態，產生的再生電能通過逆變器傳輸到變頻器的直流側的電容上，導致直流母線電壓升高，嚴重威脅系統的工作安全。目前，控制電壓過高的方法一般有兩種。第一種方法是通過在直流母線上接一個能耗電阻，將多余的能量消耗掉。由于電梯在工作中經常會處在能量回饋的運行狀態，這種方法一方面造成能量嚴重浪費，另一方面電阻發熱，使得環境溫度升高，影響系統工作的可靠性[1]。第二種方法是對現有變頻器改裝，將能量回饋裝置與變頻器的直流側并聯，當電梯處于再生回饋狀態時，將電能回饋電網。該回饋裝置采用晶閘管整流器時，具有結構簡單、成本低、可靠性高的優點，但是功率因數低、會給電網帶來很大的諧波污染。還可以采用全控型電力電子器件構成PWM整流器，通過PWM技術，實現能量的雙向流動。該裝置減小了變頻器對電網的諧波污染，但其控制復雜，成本較高，對現有產品的改造比較復雜。第二種方法由于反饋的能量需要經過電力電子裝置，所以也會產生損耗[2]。

本文通過模糊控制和并聯超級電容，制定合理的控制策略來實現節能。

1 超級電容儲能型電梯主電路結構及參數設計

近年來各種儲能技術發展迅速，傳統的電容儲能技術也得到高速發展，出現了容量大，壽命長，效率高的超級電容儲能裝置。通過將超級電容并聯到直流母線上將電梯電機工作在回饋制動運行狀態時反饋的能量存儲起來，利用超級電容的大容量特性來吸收電梯回饋的電能，使直流側電壓在安全的范圍內。當電機工作在電動狀態時，儲存在超級電容中的電能為負載供電，達到電能重復利用的目的。這種方法顯然也是電梯節能的有效手段。由于超級電容的容量很大，只有在一直處在能量回饋階段時，才會導致直流母線電壓過高，在設計參數時，基本可以控制電壓在安全范圍內，為節約成本，不加入向電網回饋能量的能量回饋裝置。在電路設計中，加入超壓泄放電路防止發生危險。本文設計的超級電容節能電梯主電路原理如圖1所示。

網側電流經整流后到直流母線上，在母線端串聯Buck電路單元，之后并有超級電容和泄放電路。控制器采用模糊控制方法，控制Buck電路的工作。

下面進行定量的分析計算，設計一部實驗用電梯，電梯所在大樓共11層，每層高3 m；電梯額定速度v=2 m/s；重力加速度g=10 m/s2；電梯額定載重M0=1 000 kg。

圖1 超級電容儲能節能主電路原理圖

電梯系統在運行過程中存在的主要能量包括重力勢能和動能兩個部分，其中勢能可以表示為：

電梯運行中實際的最大位移為(樓層－1)×樓高，電梯垂直位移h過程中電機需要做功：

式中：M為電梯實際載質量，kg；m1為電梯轎廂質量，kg；m2為電梯對重塊的質量，kg；W為電梯垂直位移h時電機所做功，J；W>0即電機運行在電動狀態，W<0即電機運行在發電狀態。

電梯對重塊的質量m2通常表示為：

式中：p為電梯平衡系數，通常取p=0.5。

由已知條件可得：

當電梯實際載重M=500 kg時，在理想狀態下電梯不消耗能量，然而由于效率和機械損耗等原因，電梯仍會消耗一部分電能。

電梯實際載重分以下三種情況：半載，M=500 kg；輕載，M<500 kg；重載，M>500 kg。下面將對電梯在一次運行過程中處于電動狀態消耗的最大能量和在發電狀態回饋的最大能量進行計算:

電梯從11樓到1樓滿載下行，電機做負功:

電梯從1樓到11樓空載上行，電機做負功：

電梯從11樓到1樓空載下行，電機做正功：

電梯從1樓到11樓滿載上行，電機做正功：

從以上計算可知，電梯從1樓到11樓往返一次過程中，處于電動狀態消耗最大能量為150 000 J，處于發電狀態回饋的最大能量為150 000 J。

若已知超級電容的端電壓和電容容量，則可以計算出超級電容儲存的能量為：

式中：E為超級電容儲存的能量；C為超級電容容量；U為超級電容端電壓。

超級電容組由48個超級電容單體串聯而成，額定電壓為130 V，額定電容量為6.5 F。

由上述條件可知，單組超級電容儲能大小：

假設吸收電梯在某一次運行過程中回饋的最大能量需要N個超級電容組串聯，則可得：

可計算出所需超級電容組數為N=3，即由3組超級電容組串聯作為儲能裝置。因此其實際電容量C=6.5/3=1.3 F，額定電壓U=130×3=390 V，超級電容組串聯等效電阻R=N·R，單體=3×0.56=1.68 Ω[3-4]。

2 系統的控制策略及方法

(1)控制策略

設計的超級電容的最低儲能要求是能夠將電梯單方向單程運行(如滿載從頂樓至一樓下行)時回饋的最大能量充分吸收。具體的控制策略如下：當電機處在電動狀態時，如果超級電容SOC較高，則完全由超級電容來提供，如果超級電容SOC不高，電網和超級電容同時供電，當超級電容SOC低時，電網為超級電容充電同時為負載供電。當電機處于能量回饋時，回饋來的電能儲存到超級電容中。

(2)控制方法

基于上述結構，為了能更好地控制能量的分配，本文采用模糊控制器來實現對Buck電路的控制。針對電梯在不同運行狀態下儲能系統功率分配方案可知，控制方案是通過檢測超級電容的SOC和負載電流而制定的，而功率分配是通過改變Buck變換器中功率開關管器件的占空比來實現的。模糊邏輯控制器的模型如圖2所示。

圖2 模糊邏輯控制器結構圖

根據電梯系統反饋能量的特點和大量實驗及專家的技術經驗建立了模糊規則表(表1)。

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3 仿真結果及分析

為了驗證所提出的基于模糊規則的能量管理方法的正確性，采用Matlab仿真軟件進行了相關的仿真研究，系統結構圖如圖1所示。

根據電梯的實際運行曲線，本文結合Matlab做了仿真實驗。如圖3，id代表電網側電流，io代表負載電流，ic表示超級電容的充放電電流。

圖3 超級電容SOC不高時的各電流變化曲線

如圖3所示，在0～0.2 s，負載電流較小，完全由超級電容提供電能。當負載電流達到一定值的時候，電網和超級電容共同為負載供電，超級電容提供峰值電流。在5～6.5 s，同樣是由超級電容和電網共同為負載供電。在6.5 s后，電梯處在能量回饋狀態，負載電流為負，這時關斷Buck電路，網側電流為0，回饋的能量完全由超級電容吸收，以備下次供能時使用。

由圖4可以看出，當由超級電容供電時，超級電容的SOC開始下降，當處在能量回饋狀態時，SOC開始升高，儲存回饋的能量，以備下次供電時使用。

圖4 超級電容SOC不高時的SOC的變化曲線

圖5所示的電流變化曲線為超級電容SOC較高時的工作狀態。當超級電容SOC較高時，負載電流完全由超級電容提供，網側電流幾乎為零。

圖5 超級電容SOC較高時的各電流曲線

圖6為完全由超級電容供電時，超級電容SOC的變化情況。如圖所示，供電時，SOC處于下降狀態，能量回饋時，又為超級電容補充了能量。

圖6 超級電容SOC較高時SOC的變化曲線

由仿真結果可以得出電梯單程滿負荷運行一次直流母線的電壓差為60 V。為簡化電容儲能效率的分析，將超級電容的充放電過程作線性化處理，上升和下降電容消耗的能量相等，得到一個周期內電容器消耗電能的計算公式為：

電梯釋放的機械能乘以80%的系數轉化成電能E=(150 000×80%)J=120 000 J，所以電容器的儲能效率為：

對比不用超級電容電路結構的電能損耗超級電容儲能方案的損耗更小，節能效率更高[5]。

基于仿真結果，進一步驗證了所提出的拓撲結構及控制策略的可行性，結果表明超級電容不僅可以對負載需求迅速響應，為直流母線提供較高的瞬時功率，而且可以迅速回收回饋制動的能量，達到了能量循環利用的目的。利用模糊規則控制方法可以快速完成能量的分配，按照不同的運行方式來調節電網的輸入電流來實現節能。

[1]王司博，韋統振，齊智平.超級電容器儲能的節能系統研究[J].中國電機工程學報，2010(9)：105-110.

[2]史俊霞.超級電容在電梯節能中的應用前景探討[J].電氣自動化，2013(1)：69-70，94.

[3]鐘國梁.VVVF電梯拖動節能技術應用探討[J].電氣應用，2009，20：74-76.

[4]李彬.超級電容儲能的電梯驅動裝置研究與應用[D].天津：天津大學，2012.

[5]張慧妍，韋統振，齊智平.超級電容器儲能裝置研究[J].電網技術，2006(8)：92-96.

Study on control strategy of energy-saving elevator with super capacitor based on fuzzy control

JI Guo-jun1,WANG Yun-liang2
(1.School of Electronic Engineering,Tianjin University of Technology,Tianjin 300384,China;2.Tianjin Key Laboratory for Control Theory&Application in Complicated System,Tianjin University of Technology,Tianjin 300384,China)

Based on the analysis of VVVF and working process of the elevator,for the elevator feedback energy recycling,a topology based on super capacitor energy saving was designed,and a control strategy based on fuzzy control was put forward.The simulation was carried on using Matlab/simulink software.The simulation and experiment show that the super capacitor energy storage structure energy saving system can recycle braking energy when motor brakes,so as to verify the feasibility of the energy saving plan and the effectiveness of energy management method based on fuzzy rules.

super capacitor;fuzzy control;energy-saving elevator;DC bus

TM 53

A

1002-087 X(2016)08-1673-02

2016-01-14

冀國郡(1990—)，男，天津市人，碩士，主要研究方向為電力電子與電氣傳動。