超級電容驅動的電梯制動能量回饋損耗控制

王婧怡，翁紹捷，張國健

(1. 海南大學機電工程學院，海南 海口 570228；2. 海南省鍋爐壓力容器與特種設備所，海南 海口 570102)

1 引言

在現代樓宇建筑中，由電梯產生的能量損耗約占樓宇全部能耗的5%～15%[1]，是重要的能耗單元。在電梯制動的過程中，會因為做功產生額外的能量，目前電梯系統幾乎都采用電阻對制動能量采取吸收，這種方式具有較高的安全性與可靠性，但是，也對制動能量形成了浪費。如果能夠對電梯制動能量進行有效的控制管理，就能夠實現整個電梯系統的能效提升[2]。關于電梯制動能量問題的研究，當前基本分為兩種思路。其一是將制動能量回饋電網，其二是將制動能量回收存儲。因為對并網的電能質量有嚴格要求，質量較差的制動電能要想滿足條件較為困難，所以大部分研究人員傾向于第二種思路。在電梯運行過程中，需要快速頻繁的進行能量吸收與釋放，因為超級電容充放電特性[3-4]優于電池，所以通常將超級電容應用于第二種解決思路中。文獻[5]～[8]均將超級電容引入電梯節能控制中，利用超級電容充放電的線性特征，在一定程度上實現了高功率場景中的電梯能量回收，降低了能量損耗，但是都沒有考慮到電壓波動[9]和充放電之間的關系，此外，也沒有考慮到與DC-DC模塊的系統協同問題。于是，本文提出了一種儲能回饋型電梯能量控制方案，利用超級電容的儲能特性實現電梯系統的電能吸收與回饋，用于功率補償和應急電源，在設計的超級電容與雙向DC-DC儲能電路拓撲中，考慮了充放電效率、和其它模塊的匹配性，以及紋波抑制問題。最后基于電路拓撲，設計了交替控制策略，從而得到最佳效率，實現對電梯制動能量回饋損耗的最優控制。

2 SC驅動的儲能回饋電梯系統模型

本文利用SC設計了一種儲能回饋型電梯系統控制方案，對電梯系統的回饋電能進行回收，將產生的電能回饋至DC母線上，向SC模塊進行充電。在SC模塊充電到達給定閾值，瞬時控制DC-DC工作方向，通過變頻器接通放電電路控制儲能量。在功耗需要增加的情況下，SC模塊會由充電模式轉為放電模式，電能被釋放回DC母線上，對功率采取補償。另外，在發生斷電的情況下，SC模塊通過放電能夠提供電梯的臨時用電需求，保證電梯系統的安全工作。本文設計的SC驅動儲能回饋電梯系統模型如圖1所示。

圖1 SC驅動儲能回饋電梯系統模型

系統模型主要包括SC模塊、SC控制模塊、DC-DC模塊、制動電阻模塊、AC-DC模塊、DC-AC變頻器模塊，以及曳引機。其中，作為能量回饋的核心部件是SC與DC-DC，通過并聯接入DC母線上。在電梯制動過程中，會形成再生電能，SC模塊利用充電過程將其回收，在SC模塊充電結束，利用制動電阻模塊對再生電能進行消耗，考慮到系統的安全性，控制變頻器接通保證SC充放電均衡。

3 存儲負載均衡分配算法

3.1 SC模塊設計約束

在保證SC模塊具有良好的充放電效率的同時，還需要確保和DC-DC模塊的協同，于是對SC模塊的充放電閾值做如下約束

(1)

其中，vmax表示充電電壓閾值；vmin表示放電電壓閾值；Vdc表示DC母線電壓；d表示深度。為符合電梯各種運行狀態時能量的回收與補償要求，對SC模塊的容量Csc約束描述為

(2)

其中，η1表示儲能部件的效率；c表示其余部件的能量損耗因數；E表示由運行所產生的電能。當發生斷電時，SC模塊應該具有臨時應急性能，依靠SC模塊的儲能完成曳引機等單元的工作需求，于是，對SC模塊的功率Psc約束描述如下

Psc=VminIsc≥P

(3)

其中，Isc表示SC模塊的輸出電流；P表示維持耗能部件正常運行所需的功率。

3.2 SC與DC-DC儲能系統設計

圖2描述了基于SC與DC-DC的儲能電路拓撲設計，該電路有效抑制了SC模塊充放電之間的耦合程度。電路由多相交錯升降壓雙向DC-DC并聯，一側接在DC電容Cdc1兩端，另一側接在超級電容Csc1兩端，DC-DC分為上下兩個橋臂，主要器件包含開關管、續流二極管和電感。整個系統包含若干組儲能電路，它們之間根據占空比的調整達到電壓均衡狀態。這里針對一組儲能電路進行分析，在SC模塊充電過程中，DC-DC將工作于Buck狀態。此時，DC-DC的工作電路由T11～T1(2h-1)，D12～D1(2h)，和L11～L1h構成。在SC模塊放電過程中，DC-DC將工作于Boost狀態。此時，DC-DC的工作電路由T12～T1(2h)，D11～D1(2h-1)，和L11～L1h構成。

圖2 基于SC與DC-DC的儲能電路拓撲

兩種工作狀態下，電能的方向在SC模塊與DC之間發生變化，考慮到狀態切換形成的電流紋波，將占空比延遲T/h。這里的T代表開關周期，h代表相數。于是，SC模塊端的紋波大小表示如下

(4)

其中，ΔiL1i表示電感中電流紋波；D表示開關管占空比，且D和h具有如下約束關系：

j/h≤D≤(1+j)h

(5)

也就是Δisc實際上是由h相的電感電流疊加而成[10]，利用歸一化處理，將SC模塊端的紋波表示為

(6)

結合歸一化與約束分析，在相數h增加的過程中，占空比將越來越小，紋波會呈現越來越好的抵消現象。

4 電梯制動能量回饋損耗控制

對電梯制動時SC模塊的能量回饋損耗進行分析，圖3描述了SC模塊的暫態等效模型。當SC模塊工作于能量回饋模式，將在等效電阻Resr上形成損耗，另外，還存在一小部分的漏電流將在Repr上形成損耗，SC模塊的能量回饋損耗主要來自于Resr和Repr。對于SC模塊而言，雖然流經Resr的電流較大，但是其阻值很小，所以損耗并不大；Repr的阻值雖然較大，但是流經其中的電流很小，所以其損耗也不大。通過對等效模型的分析，SC模塊的等效電壓與等效電流分別表示如下

圖3 SC模塊等效模型

(7)

(8)

其中，Pdc代表SC模塊提供給DC母線的功率。

利用等效電壓Vsc與等效電流Isc，計算SC模塊的瞬時效率，考慮到SC模塊電壓近似于DC母線電壓，且Repr的阻值遠大于Resr，因此，整理后瞬時效率表示為

(9)

根據SC瞬時效率計算可知，要獲得較高的效率就應該使其工作于較小的功率狀態下。但是對于DC-DC則正好相反，針對這種互斥情況，依據變頻器功率變化，令SC與DC-DC進行交替工作。從而保證SC和DC-DC大多數時間都能工作于各自效率最佳的情況下。為此，將功率區間分為高、中、低三個階段。將SC的功率記做Psc，DC-DC的功率記做Pdc-dc，變頻器的功率記做Pinv，同時，將SC與DC-DC效率一致時的功率記做Peq，當變頻器工作于高功率階段，也就是Pinv>2Peq條件成立，此時，SC和DC-DC均參與工作，且SC保持Peq穩態，對應的功率描述如下

Psc=Peq

(10)

Pdc-dc=Pinv-Peq

(11)

當變頻器工作于中功率階段，也就是Pinv>2Peq條件成立，此時，也保持SC和DC-DC均參與工作，DC-DC保持Pme穩態，Pme略高于Peq，且小于Pinv。于是該階段的功率描述如下

Psc=Pinv-Pme≈Pinv-Peq

(12)

Pdc-dc=Pme≈Peq

(13)

當變頻器工作于低功率階段，也就是Pinv

Psc=Pinv

(14)

Pdc-dc=0

(15)

經過分段交替控制后，有利于DC-DC對SC電壓的控制，提高了SC和DC-DC的效率，降低系統中的能量損耗，從而在電梯制動過程中獲得更多的回饋能量。

5 仿真研究

為了驗證超級電容驅動的電梯制動能量回饋損耗控制性能，這里基于Matlab中Simulink模塊構建仿真模型。其中參數設定如表1所示。

表1 模型參數設置

仿真電梯從勻速運行到開始制動，直至電梯停止的整個過程，得到該過程中電梯速度、超級電容電壓，以及超級電容對應的功率變化曲線，結果如圖4～6所示。

圖4 電梯速度曲線

圖5 超級電容電壓曲線

圖6 SC模塊功率曲線

根據電梯速度曲線，電梯在前4s處于勻速移動，當要到達指定樓層時開始減速，采取小速度對齊梯門，直到停止，利用這個過程有利于功率的平緩過度。根據超級電容電壓變化曲線可以看出，在電梯勻速移動時，對超級電容進行充電，電梯制動減速的瞬間，超級電容電壓出現瞬時的波動尖峰，隨后由于放電電路與變頻器介入，電壓快速趨于穩定，電壓曲線表明超級電容的控制策略是準確的。根據模塊的功率曲線分析，在電梯勻速運行的時候，由于功率提供主要來自于電網，所以此階段一直對超級電容進行功率饋能，同時避免發生功率振蕩。在制動過程中，超級電容饋能功率瞬間增加，達到充電飽和狀態，開始對系統功率消耗進行補償，泄放剩余回饋能耗。通過整個過程中超級電容的電壓與功率曲線結果，證明超級電容在電梯制動過程中具有準確的驅動控制和能量管理。

為了充分驗證超級電容在電梯制動時對能量回饋損耗的有效控制，通過仿真模擬得到雙向DC-DC模塊工作于Buck和Boost兩種狀態時，DC母線電壓和超級電容電壓的變化情況，波形如圖7和圖8所示。當DC母線電壓超過550V，DC-DC模塊的上半橋導通，進入Buck工作模式，從波形可以看出，T11～T1(2h-1)管子開通，對超級電容進行充電。在DC母線電壓低于550V，或者超級電容的電壓超過380V，退出Buck模式。當DC母線電壓低于520V后，DC-DC模塊的下半橋導通，進入Boost工作模式，從波形可以看出，T12～T1(2h)管子開通，超級電容進行放電，從而給DC母線作為能量補充，為其穩壓。

圖7 Buck電路波形

圖8 Boost電路波形

6 結束語

本文針對電梯制動過程與超級電容特性，提出了一種儲能回饋型電梯能量控制方案，利用超級電容的充放電對電梯系統的回饋電能進行回收，將產生的電能回饋至母線上，對功率采取補償。考慮到充放電效率，以及和DC-DC模塊的協同，控制方案首先對系統中超級電容模塊的充放電閾值、容量、功率做了約束條件設計。然后設計了基于SC與DC-DC的儲能電路拓撲，根據占空比的調整可以抑制電流紋波。最后在拓撲基礎上，設計了電梯制動能量回饋損耗控制策略。通過Simulink建立仿真模型，驗證了超級電容在電梯制動過程中能夠準確及時的對電梯制動能量進行回收，并將回收的能量及時準確的補充給母線，提高電梯系統能效，同時還能夠很好的避免發生功率振蕩。