基于超級電容和最大功率跟蹤法的電梯節(jié)能系統(tǒng)設(shè)計＊

肖春華，李明仕

（1.武漢軟件工程職業(yè)學院 電子工程學院，湖北 武漢 430205；2.武漢艾德杰電子有限責任公司，湖北 武漢 430000）

基于超級電容和最大功率跟蹤法的電梯節(jié)能系統(tǒng)設(shè)計＊

肖春華1，李明仕2

（1.武漢軟件工程職業(yè)學院 電子工程學院，湖北 武漢 430205；2.武漢艾德杰電子有限責任公司，湖北 武漢 430000）

針對市場上現(xiàn)有的節(jié)能電梯控制器通過逆變電路直接將電梯饋能傳送給電網(wǎng)，給電網(wǎng)帶來諧波污染的問題，提出了使用超級電容作為能量緩沖器，利用最大功率跟蹤法為超級電容充電，最大程度回收利用電梯的饋能，實現(xiàn)充分節(jié)能。這個方案的實現(xiàn)具有良好的社會效益和經(jīng)濟效益。

節(jié)能電梯；諧波污染；超級電容；最大功率跟蹤

隨著電梯應(yīng)用的日益普及，每年電梯耗能量也是節(jié)節(jié)攀升，各種節(jié)能電梯的設(shè)計和應(yīng)用也廣泛開展。在電梯使用過程中，有接近1/2的時間是處于發(fā)電狀態(tài)[1]。在現(xiàn)有節(jié)能電梯設(shè)計方案中，普遍通過設(shè)計逆變電路將這部分能量回饋到電網(wǎng)中。雖然這種處理方式實現(xiàn)了能量的回收利用，但也存在一個顯而易見的缺陷，即通過逆變電路輸出的逆變交流電輸送到電網(wǎng)中時，一定會對電網(wǎng)造成諧波污染[2]。針對此，本文提出了一種基于超級電容和最大功率跟蹤法的電梯節(jié)能系統(tǒng)設(shè)計方案。

1 系統(tǒng)整體方案設(shè)計

系統(tǒng)的設(shè)計框架如圖1所示。該系統(tǒng)包括與電梯控制器連接的DC/AC模塊、DC/DC模塊、超級電容組和系統(tǒng)控制模塊。之所以采用超級電容作為儲能元件，是基于2個方面的原因：①超級電容具有大電流充放電特性，能及時回收電梯發(fā)電運行時產(chǎn)生的電能，相較普通鉛酸電池有較大的優(yōu)勢。②從成本上來看，鉛酸電池的充放電壽命為500次，鋰電池為2 000次左右，而超級電容組充放電壽命可以達到100萬次。如果僅按電梯一天運行50次計算，每次為半充半放，每天充放電次數(shù)為25次，采用超級電容進行儲能，工作壽命能夠輕松達到20年，極大地降低了運營成本。

在電梯運行過程中可能會遇到停電的情況，因此，在該框架下，雙向DC/DC變換模塊包含2個功能：①在電梯正常使用的過程中，當電梯處于發(fā)電狀態(tài)時，要對超級電容進行充電，實現(xiàn)能量回收。當電梯處于耗能狀態(tài)時，將存儲在超級電容的電能取出，通過直流母線饋送給電梯控制器，實現(xiàn)能量的再利用，達到充分節(jié)能的目的。②當突然停電時，該系統(tǒng)還要當作應(yīng)急電源使用，除了給電梯控制器的直流母線供電外，還要將超級電容里剩余的電能取出，轉(zhuǎn)換為直流600 V供給DC/AC逆變模塊，DC/AC逆變模塊將之轉(zhuǎn)變?yōu)?80 V的交流電給電梯控制器供電，以確保電梯的使用安全。

圖1 系統(tǒng)框架圖

圖2 電梯運行速度曲線

2 系統(tǒng)設(shè)計的關(guān)鍵技術(shù)

2.1 超級電容的參數(shù)設(shè)計

超級電容在系統(tǒng)中起到了能量緩沖器的作用，所以，應(yīng)盡可能地回收電梯的饋能。另外，在具體設(shè)計中，還要考慮成本問題。如果容量不夠，就不能充分吸收電梯的回饋電能，造成能源浪費，污染環(huán)境；如果容量設(shè)置冗余，就會增加成本，在某種程度上失去節(jié)能裝置的意義。因此，超級電容的參數(shù)設(shè)置起到了至關(guān)重要的作用，是系統(tǒng)研究的重點問題之一。電梯饋能運行時有2部分能量，一個是電梯運行的動能，另一個是電梯運行產(chǎn)生的勢能。電梯運行時是變速運動，速度變化比較大，因此，動能變化也比較大，本設(shè)計中主要考慮勢能的回收利用。

圖2是典型的電梯運行速度曲線，考慮到電梯的運行速度和乘客的舒適性，一般采用拋物線類型的S曲線。根據(jù)國家標準的規(guī)定，起動和制動的加速度宜設(shè)置為1.5～2.0 m/s2。當額定速度為1.0～2.0 m/s時，加速度宜設(shè)置為0.50～2.0 m/s2，所以，電梯的加速度一般為1.83 m/s2。電梯在空載上行或滿載下行時回饋功率最大，從底樓到頂樓運行回饋能量最大，超容選取應(yīng)基于最大能量回饋。

電梯勢能按式（1）計算，即：

式（1）中：m1為電梯轎廂質(zhì)量和額定載質(zhì)量之和；m2為電梯配重。

項目組在設(shè)計本裝置時，所用的電梯參數(shù)為：電梯轎廂質(zhì)量1 200 kg，額定載重量為1 000 kg，對重質(zhì)量為1 700 kg，按照樓層為21層，每層層高4 m設(shè)計。

根據(jù)式（1）可以計算出電梯從1層運行到21層產(chǎn)生的勢能為：Eg＝（m1+m2）gh＝（1 200+1 000-1 700）×9.8×80＝392 kJ。

超級電容的儲能按式（2）計算，即：

式（2）中：V1為超級電容最高電壓；V2為超級電容回饋電能時的最低電壓。

具體設(shè)計時，超級電容儲能必須大于電梯運行產(chǎn)生的勢能，即需要滿足式（3），即：

式（3）中：η為電能轉(zhuǎn)換效率。

考慮到電梯啟動時的功率比較大，為了減小損耗，在反復(fù)實驗的情況下，將超級電容電壓最高電壓V1設(shè)為400 V，超級電容回饋最低電壓V2取200 V。此時，超級電容儲能利用率為75%.

通過上述公式可以算出，C＞6.87 F。

超級電容的另一個作用是，其作為應(yīng)急裝置，需要在緊急情況下提供電能，其電壓在任何情況下都要保持一定數(shù)值，也就是超級電容回饋時最低電壓為V2。為了減小雙向變換器的設(shè)計難度，超級電容放電到一定電壓時要停止，設(shè)超級電容放電截止電壓為Vmin，當電梯運行在某兩層之間突然停電時，在超級電容能夠完全放電情況下，其提供的能量應(yīng)滿足：

式（4）中：h為應(yīng)急平層時電梯的運行距離，因為層高4 m，所以應(yīng)急平層時運行最大距離為4 m。

由式（4）可以求得超級電容放電截止電壓為184 V。

采用單體電壓為2.7 V的超級電容，考慮到安全，需要留有一定余量，單體電壓按照2.65 V計算，則需要的超級電容的個數(shù)為：400/2.65≈150個，需要的超級電容總?cè)萘繛椋篊＝150×6.87＝1 030 F。因此，最終本設(shè)計使用的超級電容組由150個1 200 F/2.7 V規(guī)格的超級電容串聯(lián)而成。

2.2 最大功率跟蹤法的應(yīng)用

在該系統(tǒng)中，電梯變頻器的直流母線是通過雙向變換器為超級電容充電的[3]，只有在確定電梯饋能時才能給超容充電。由于電梯實際運行工況復(fù)雜，載重往往無法定，要到往的樓層也不確定，因此，無法確定電梯饋能。

在電梯饋電運行時，直流母線電壓會升高[4]。為了防止直流母線電壓過高，電梯變頻器都加有能量泄放電阻。當直流母線電壓達到設(shè)定電壓時，就接通泄放電阻；當直流母線電壓低于設(shè)定電壓時，斷開泄放電阻[5]。因此，在電梯饋能時，電梯的直流母線基本會維持一個固定電壓，與電梯饋能的關(guān)系不大。通過判斷直流母線電壓大小來判斷電梯是否運行在饋電狀態(tài)是可行的，但是，以直流母線電壓來確定超容的充電功率不可行。

為了適應(yīng)電梯饋能的變換，要求超級電容的充電功率是可變的，即要隨著電梯饋電的多少來改變。如果充電功率大于電梯饋電功率，會導(dǎo)致直流母線的電壓低于正常電壓，從而引起電梯誤報警。如果充電功率小于電梯饋電功率，會有一部分饋電能量浪費在泄放電阻上。

為了解決這個問題，系統(tǒng)中超級電容的充電功率采取最大功率跟蹤法充電，充電功率隨著電梯饋電功率而改變。這樣做，既不影響電梯的安全運行，又實現(xiàn)了電梯饋能的最大利用。控制部分原理如圖3所示。

圖3 最大功率跟蹤硬件設(shè)計框圖

電壓電流檢測電路采集到的電梯變頻器直流母線相關(guān)信息經(jīng)A/D端口送入微控制器進行最大功率點跟蹤算法分析計算后，微控制器通過模塊輸出PWM脈沖控制DC/DC變換器中功率管的導(dǎo)通占空比，實現(xiàn)對超級電容充電電流的控制，從而改變充電功率。

鑒于變頻器直流母線只需要不超過它的最高電壓就能安全工作，在這里，我們采取固定電壓法的策略來實現(xiàn)最高功率跟蹤。超級電容的最高電壓總是小于變頻器的直流母線電壓[6]，本文采用非隔離降壓式DC/DC轉(zhuǎn)換電路，將電梯饋能產(chǎn)生的不可控輸出電壓轉(zhuǎn)換成可控的輸出電壓。其拓撲結(jié)構(gòu)如圖4所示。從圖4中可以看出，主電路由開關(guān)管Q、二極管D、電感L和電容C等構(gòu)成。

圖4 非隔離降壓式DC/DC轉(zhuǎn)換電路拓撲圖

Vin為電梯變頻器直流母線電壓，輸出負載為超級電容，輸出電壓Vo為最大超級電容充電電壓。直流母線電壓Vin受電梯運行工況的不同而不同，系統(tǒng)設(shè)定690 V為其最大功率跟蹤電壓。

電梯饋能運行時會導(dǎo)致直流母線電壓升高，當系統(tǒng)檢測到直流母線電壓達到690 V時，降壓電路工作，為超級電容充電，充電電流為I0。當電梯饋能大于充電功率時，會導(dǎo)致直流母線電壓繼續(xù)升高，檢測到Vin高于690 V時，系統(tǒng)逐步增加充電電流I0，直到充電功率與電梯饋能基本相同，將Vin維持在690 V。這樣做，既能最大程度地利用電梯饋能，又能保證電梯運行的可靠度。

表1 1號電梯實驗數(shù)據(jù)

3 實驗結(jié)果

項目組按照上述方案實際做了2套電梯節(jié)能控制器，分別裝在某小區(qū)的2臺電梯上，小區(qū)為11層高。基于安全考慮，實驗采取空載運行，從1樓運行到頂樓，再從頂樓運行到1樓，5次為1組，實測數(shù)據(jù)如表1和表2所示。分析數(shù)據(jù)可知，加入節(jié)能裝置后，1號電梯節(jié)電率達到24%，2號電梯節(jié)電率達到32%，測試結(jié)果達到了預(yù)期目標。因為2部電梯的拽引機和控制器不同，致使2部電梯的節(jié)電率不一致。2部裝置做完實驗后都投入了實際運行，運行3個月，平均節(jié)電率為17.5%.

表2 2號電梯實驗數(shù)據(jù)

［1］曹智超，羅正衛(wèi)，李欽軒.電梯用超級電容器節(jié)能的研究與應(yīng)用［J］.建筑電氣，2013（7）：30-33.

［2］冀寶霖，趙懷林，陳勝，等.一種最大功率點跟蹤算法與實現(xiàn)［J］.電源技術(shù)，2017（5）：790-793.

［3］張馳，張代潤.基于改進的變步長光伏并網(wǎng)系統(tǒng)MPPT控制策略研究［J］.電測與儀表，2012，49（1）：67-71.

［4］詹天文，文武松，張穎超，等.一種基于混合儲能的獨立光伏發(fā)電系統(tǒng)［J］.電源技術(shù)，2015，39（2）：325-326，338.

［5］金石，張鳳閣，朱連成.無刷雙饋風力發(fā)電機的變速恒頻最大功率跟蹤［J］.太陽能學報，2014，35（11）：2279-2285.

［6］盤錦.一種低成本電梯節(jié)能控制技術(shù)［J］.化工管理，2014（6）：99.

肖春華（1980—），男，湖北松滋人，講師，工程師，碩士，主要研究方向為嵌入式系統(tǒng)。

〔編輯：白潔〕

TP368

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2017.24.034

2095-6835（2017）24-0034-03

湖北省教育廳科研課題“基于太陽能與超級電容的新型節(jié)能電梯控制器研制”（編號：B2016546）