基于超级电容储能与电压型变流器的电梯能量回收系统效率优化控制策略

邓 哲，周峰武，吕征宇

(1．国网浙江省电力公司电力科学研究院，浙江 杭州310014;2．浙江大学电气工程学院，浙江 杭州310027)

1 引言

由于不可再生能源的日益短缺和环境问题的日趋严峻，太阳能、风能等分布式发电系统越来越受到重视［1-3］。而电机系统是重要的工业耗能设备，其耗电量约占中国整个工业耗电量的60%。因此如果能够提高电机驱动系统的能量利用率可以有效达到节能的目的。

传统电梯电机制动的能量全部由制动电阻消耗，这是一个极大的浪费。目前较热门的研究集中在通过增加储能元件回收这部分能量［4，5］，或者通过四象限变流器将制动能量回馈到电网［6，7］。但是上述研究中依然存在一些不足:如果只使用超级电容等储能元件来回收能量，则容易受到元件容量的限制而失去回收能量的作用，同时又由于储能元件等效串联电阻的存在，使其在大功率下的端压变化过大而无法充分利用储能空间;如果只使用四象限变流器来回收能量，受到滤波器、开关器件的影响，小功率时的效率很低，造成更大浪费。

在电梯系统等一些注重安全的应用中，往往会有同时拥有用于后备电源的储能元件与并网变流器。本文针对电梯系统的运行特点，结合超级电容储能与四象限电压型变流器的各自优点，在充分利用电梯后备储能系统的基础上，提出了全新的能量回收系统效率优化控制策略，从而进一步提高了能量的回收利用率。

2 系统结构组成

本文提出的能量回收系统结构组成如图1所示。四象限电压型变流器(VSC)与电网相连，可实现电网与电梯电机变频器之间的能量双向流动，同时也可提高网侧的功率因数;超级电容器组(SC)与双向Buck-Boost变流器组成超级电容模块，直接并联在直流母线上，实现超级电容的充放电功能;超级电容组和直流母线之间用一个开关SW连接。

单体的超级电容器耐压一般都比较低，但是通过多个超级电容器串并联所组成的超级电容组耐压可以达到几百伏。根据实际应用［8，9］，本文采用耐压是800V、容量是0.625F的超级电容组作为动态储能设备与电梯的后备储能，在工作前首先由双向

图1 能量回收系统结构示意图Fig．1 Energy recovery system

Buck-Boost给电容充电。当超级电容上的电压与直流母线上的电压相等时充电停止，同时将开关SW闭合，这样超级电容便并联在母线上，从而可以在一定范围内通过VSC直接控制电容电压，避免了能量在Buck-Boost变流器上面的损耗，而超级电容组将完全在VSC的控制下随着电机功率的变化来实现能量的回收与释放。在电梯紧急停机而启动后备储能时，双向Buck-Boost重新开始工作。

3 系统各部分效率分析

3.1 超级电容组单独做能量回收时

如果不考虑超级电容能量流动的暂态过程，那么可以用如图2所示的等效电路来描述超级电容组结构［10］。图2中的Resr是超级电容组等效串联电阻，Repr是超级电容等效并联电阻，Csc是理想电容。在超级电容组充放电的时候，电流流过Resr会产生能量的损耗，降低超级电容组的效率。同时超级电容组自身也有流过Repr的漏电流产生而消耗能量。对于现今常用的超级电容来说，等效串联电阻Resr很小，并联电阻Repr很大，因此在能量交换的时候超级电容自身损耗的能量很少，效率很高。

图2 超级电容组等效模型Fig．2 Equivalentmodel of super-capacitor

根据超级电容组等效模型，可以得到超级电容组瞬时效率的计算公式:

其中，Pdc为超级电容向直流母线输出的功率;VscIsc为超级电容极板上的输出功率。在推导式(1)时作了一个简单近似，即在计算Repr耗散功率时，由于Vdc≈Vsc、Repr≫Resr，所以可以用Vdc来近似代替Vsc以简化表达式。图3中的实线是理想状态下超级电容的效率随输出功率的变化曲线。

图3 SC模块和VSC模块效率与输出功率关系曲线Fig．3 Efficiency vs．output power of SCmodule and VSCmodule

3.2 单独VSC做能量回收时

VSC的结构图如图1所示，由三个IGBT桥臂和一个L滤波器组成，其损耗主要由IGBT导通损耗、开关损耗以及滤波电感上面的损耗组成。由文献［11-13］可得到VSC的典型效率曲线如图3中的虚线所示。需要进一步说明的是，在上述文献中都没有考虑电流纹波对VSC效率的影响，原因是在额定负载附近运行时的电流较大，电流纹波可以忽略不计;但是如果功率较小时电流纹波就无法忽略，这时的输出功率很小而由电流纹波引起的电感损耗相比变得很大，所以在小功率运行时，VSC的效率会比理想状况更低。

对比图3中的两条曲线可以看出，低功率运行时SC模块的效率较高，而高功率运行时，VSC模块的效率较高。为了实现效率优化控制，这里将两个模块单独运行时效率相等的功率标记为Psat。

4 效率优化控制策略

4.1 控制策略的提出

因为SC模块在低功率区运行效率高，而VSC模块在高功率区运行效率高，所以本文提出让上述两个模块随着变频器运行功率大小区域的不同而交替运行和协同运行的控制策略，其根本目标是:让VSC模块始终工作在效率较高的大功率状态或者完全不工作，同时让SC模块尽可能地工作在效率较高的小功率状态下。这样，系统的整体效率会得到大幅提升。

图4是变频器工作在耗能状态并且功率从零开始线性上升时的效率优化控制策略示意图。其中Psat表示在该功率处SC模块单独工作的效率等于VSC模块的效率，Psw是比Psat略大的、用于过渡区切换的功率参考量，Pinv是变频器功率，Psc是SC模块功率，Pvsc是VSC模块功率。从图4看出，VSC模块始终在高于Psat的区域工作;SC模块始终在低于Psat的区域工作。该控制策略的具体实现方式为:

图4 效率优化控制策略示意图Fig．4 Optimal efficiency control strategy

(1)低功率区:当变频器小功率运行时，即Pinv＜Psat，SC模块单独工作，而VSC模块完全停止运行。各模块功率大小如式(2)所示，功率曲线如图4中的“低功率区”所示。

(2)中功率区:当变频器中等功率运行时，即Psw＜Pinv＜2Psat，VSC模块和SC模块共同工作，其中VSC模块以Psw恒功率运行。各模块功率大小如式(3)所示，功率曲线如图4中的“中功率区”所示。

(3)高功率区:当变频器大功率运行时，即Pinv＞2Psat，VSC模块和SC模块共同工作，其中SC模块以Psat恒功率运行。各模块功率大小如式(4)所示，功率曲线如图4中的“高功率区”所示。

(4)过渡区:为了防止不同区域间切换过于频繁而可能造成的系统不稳定，同时防止VSC模块功率变化速度过快而造成对电网的冲击，特别增加图4(b)中的“过渡区”，从而使功率在VSC模块和SC模块之间切换得更平滑。并且由于SC模块的存在，使VSC模块的功率等级可以大幅降低，从另一方面也减小了该系统对电网的冲击。过渡区的持续时间可以根据实际需要而定，过渡时间越长则对网侧的功率冲击越小。

上述只给出了变频器功率线性增加的情况，其他工况下只要遵循图4的控制策略，同样可以实现效率优化的控制方式。

4.2 控制策略的实现

本文采用状态机的控制方式来实现效率优化控制策略。如图5所示，状态机共分为4个状态，每个状态之间如果满足一定条件则进行切换，系统刚启动时处于“低功率区”状态。图5中的Pmgn是滞环比较的宽度、Timer是“过渡区”切换用的计时器、Ttransit是“过渡区”的持续时间。

图5 效率优化控制策略状态机Fig．5 Statemachine of optimal efficiency control strategy

各工作区的控制系统由VSC的电流内环和功率外环组成，如图6所示。其中ia、ib是电网采样电流，va、vb是电网采样电压，ω是电网角频率，L是滤波电感量，vdc是直流母线电压，isc是超级电容组流出电流。图6(a)是电流内环控制框图，DQ变换采用恒功率变换方式，VSC各开关管的控制采用SVPWM控制方式［14］，同时将q轴电流控制为零，使电网功率因数接近1，并且有VSC的瞬时功率表达式Pvsc=vdid。由于是双环运行，为了使系统稳定，将功率外环的调整速度远小于电流内环。

图6 恒功率控制框图Fig．6 Constant power control block

图6(b)是在“中功率区”内运行时的功率外环控制框图。首先通过恒功率DQ变换得到电网电压vd和电流id，从而得到电网功率Pvsc;然后与功率参考值Pvsc_ref比较后经过PI调节器得到四象限变流器的D轴参考电流id_ref，控制VSC恒功率运行。

图6(c)是在“过渡区”和“高功率区”内运行的系统功率外环控制框图。该控制方法原理上与图6(b)是一样的，只是因为超级电容组功率与VSC功率的控制逻辑是相反的，所以在功率参考值与实际值进行比较运算时的计算符号与图6(b)刚好相反;同时由于超级电容组内部电压VSC无法测量，所以采用直流母线电压vdc代替，这样计算出实际功率值与真实值有误差，但是因为Resr很小，所以在计算功率的时候误差可以忽略。

5 仿真与实验

5.1 系统仿真

为验证基于超级电容储能与四象限电压型变流器的电梯能量回收系统效率优化控制的可行性，在Simulink平台上进行了仿真，仿真波形如图7所示。

根据文献［8，9］，给出电梯电机逆变器的功率曲线如图7(a)所示。在电机起动时有一个功率尖峰，随后较平稳地运行，最后停车制动时有一个较大的能量回馈功率。依照第3节提出的控制策略，设定超级电容的饱和功率为3000W，图7(b)显示了工作区域随着超级电容功率的变化而进行的切换过程。图7(c)是VSC的功率仿真曲线，可以看出为

图7 仿真波形Fig．7 Waveforms of simulation

了提高系统整体效率，VSC只在功率大于3000W的时候工作，其他时间处于关闭节能状态。图7(d)是超级电容组的功率仿真曲线，7(e)是直流母线电压，因为超级电容组的运行功率不超过3000W，所以整个运行周期中的直流母线电压不会出现较大的变化，并且和VSC配合将制动能量完全回收。

5.2 实验验证

实验中采用的超级电容组由8个超级电容单体模块采用4个串联再两组并联的方式连接组成，这样超级电容组的耐压和容量都得到了提升，具体参数如表1所示。

表1 超级电容组参数Tab．1 Parameters of super-capacitor

为了模拟出电梯变频器的真实工况，根据文献［8，9］的真实电梯变频器负载曲线，采用双VSC背靠背、母线并联超级电容模块的电路拓扑，其中的一个VSC用来模拟电梯变频器负载，另外一个用来实现优化控制策略，实验平台结构示意图如图8所示。

图8 实验平台结构示意图Fig．8 Experimental platform structure

核心控制器采用TI公司的DSP2812加装FPGA作为IO扩展用，IGBT桥臂采用三菱模块CM150DY-24NF，滤波电感Lm=2mH，电网入口处串联正反向测功仪来测量系统功耗，超级电容饱和功率设定Psat=2000W。功率计算用的超级电容电流和VSC电流均通过采样频率500Hz、阶数100、系数0.01的FIR滤波器进行平均值低通滤波。

实验过程如下:

(1)通过双向Buck-Boost给超级电容充电到不控整流电压值，然后闭合SW开关，使超级电容和直流母线直接连通;

(2)关闭双向Buck-Boost，打开VSC，并且将母线电压位置定在650V;

(3)对照实验①:按照图9(a)的功率曲线模拟电梯变频器负载工作，系统采用不控整流、不使用超级电容而直接用功率电阻泄放制动能量的工作方式，循环工作N个周期，记录网侧正向与负向功耗;

(4)对照实验②:在与步骤(3)中负载相同的情况下，系统不连接超级电容而是使VSC运行在可控整流恒压模式下［8，15］，同样N个周期后，记录网侧正向与负向功耗;

图9 负载最高功率6kW，单周期运行实验波形Fig．9 6kW peak load，single-cycle operation experimtntalwaveforms

(5)对照实验③:在与步骤(3)中负载相同的情况下，采用本文提出的效率优化控制方式，同样N个周期后，记录网侧正向与负向功耗。

图9为采用本文提出的控制策略的实验波形。

图9(a)是通过一个四象限变流器模拟的电梯变频器负载电流，其各个阶段的特征与文献［8，9］中的完全一样。图9(b)是VSC与超级电容组的电流波形，可以看到在本文提出的控制策略下超级电容的电流被限制在一定范围内，而VSC模块则关闭或者电流被限制在较高值。由于使用了大时间常数的FIR滤波器，各电流的纹波均已被滤除，增强了系统稳定性。对比图9(c)的母线电压与文献［5］可以看到，由于对超级电容功率做了限制，每个运行周期的母线电压没有出现文献［5］中的较大波动，从而使超级电容能够更加有效地吸收制动能量、提高回收利用率。

不同负载下不同控制方法的实验能耗结果见表2。表中的“负载峰值”是指负载波形如图9(a)不变的情况下的最高功率峰值;“净耗能”是实验结束时测功仪总的正向功率与负向功率的差;“节能”百分比计算公式为(P1－P2-3)/P1，其中P1是对照实验①的净耗能，P2-3是对照实验②和③的净耗能，如果为正表示更节能，如果为负表示更耗能。

表2 节能实验数据Tab．2 Data of energy-saving experiments

表2中各对照实验数据表明，如果仅仅使用VSC来回收制动能量，则在低功率下不仅不节能而且会使能耗增加;采用本文提出的效率优化控制策略，实现了在全功率范围内节能的目的，大幅度提升了能量回收系统整体的效率。

6 结论

本文提出的电机能量回收系统效率优化控制策略将超级电容储能元件与电压型并网变流器充分结合在一起，通过统一的控制策略使系统总是运行在最节能的状态中，实现了系统整体的效率优化，降低了系统损耗。最终的仿真及实验证明，该系统比单一使用电压型变流器能量回收系统的效率提高了2.7%～23.2%。

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