国家会展中心超级电容节能电梯技术应用

高文伟，华 黎，李庆来

(1.上海东浩兰生国际服务贸易(集团)有限公司，上海 200040；2.上海奥威科技开发有限公司，上海 201203)

国家会展中心(上海)(以下简称国家会展中心)中包含400多台电梯，其中垂直电梯和扶梯各200 多台，如图1所示。50台垂直电梯采用超级电容后，将成为世界规模最大的超级电容及节能电梯集中示范区；50 台超级电容电梯中有6 台在国内首次实现了“停电不急停”的安全功能。

我国已成为世界上最大的电梯生产国和出口国，电梯每年的能耗超过500 亿度。传统的电梯能量回收及再利用技术利用能量回馈系统，虽然可实现20%以上的节能，但回馈电能将产生谐波干扰、污染电网，因此市场普及率不到2%；超级电容电梯代表了最新的节能电梯技术，电梯在重负载向下、轻负载向上及减速时曳引电机所产生的电能，通过双向DC/DC 储存于超级电容器组中，在下一工作循环优先使用，从而实现电梯节能。同时，使用超级电容技术后，还可以提高电梯的安全性能。

图1 超级电容节能电梯布置图

1 超级电容节能电梯简介

1.1 技术开发背景

随着我国社会经济不断高速发展，目前我国已经成为世界上最大的电梯生产国、出口国和保有国，中国电梯的使用量和新增量均为世界第一，至2013年我国在用电梯数量达到了300 万台，其数量还在不断的高速增长之中。我们在充分享受巨量电梯所带来的方便与快捷的同时，也不得不面对巨大能耗问题。作为耗能大户，我国目前电梯的每年总能耗要超过400 亿kWh 以上，非常可观。更为严重的是由电梯运行工况所决定，目前电梯所耗费电能中大约超过1/3 是以热的形式白白浪费掉了，殊为可惜！考虑到目前我国的能源和环境压力，以及可持续增长的需要，开发新型电梯节能技术势在必行，据悉国家有关部门即将出台电梯能耗标志相关规定，及电梯节能检测方法等，这必将推动我国电梯节能技术发展。

目前电梯节能方向有2 个：一个是曳引机驱动技术和控制技术进步；另一个是开发能量回收及再利用技术。但是仅依靠曳引机驱动技术和控制技术的进步无法改变超过1/3 的电能浪费掉的事实；在能量回收及再利用技术方面目前已经商业化的最先进的是能量回馈系统技术，其优点是节能效果较高，技术成熟等，但该技术也存在着回馈电能高次谐波污染电网，产生电磁干扰，降低设备寿命，用户付出成本却无法直接受益等问题，因此迫切需要开发高性价比的新型节能电梯技术。

1.2 超级电容器性能特点

超级电容器是近年来一直受到人们关注的一种新型储能器件。它兼具二次电池与静电电容器的双重特性，被认为是一种介于传统电容器和二次电池之间的储能电源。超级电容器具有功率密度大、充电迅速、循环寿命长、能量密度较高、使用温度范围宽、可靠性高、清洁环保等突出的优点，特别适合用于短时间高功率输出以及需要快速充电的场合，妥善解决了储能设备高比功率和高比能量输出之间的矛盾。

超级电容器在性能上填补了传统电容器和二次电池之间的性能空白点，因此与其它的化学电源相比，超级电容器在节能电梯、纯电动城市客车、纯电动场地车辆、HEV 油电混合动力汽车、电电混合动力汽车等电动汽车、矿用电机车、高尔夫车、工程机械、轨道交通、太阳能和风能发电系统、港口机械、电动工具，以及部分军事航天等应用领域将具有明显的性能优势，是21 世纪理想的环保型储能器件之一，在新能源和新能源汽车等产业中展现出诱人的应用前景。

1.3 超级电容节能电梯原理

电梯工作中，在重负载向下、轻负载向上及减速等工况条件下，势能和动能通过曳引机转换产生电能。这部分电能要占到电梯整个耗电量的接近40%左右，目前该电能基本上是通过电梯控制器上的电阻以热的形式耗散掉了，同时为平衡这部分热量，电梯控制间还要装设空调，进一步加大了电能的消耗。

超级电容节能电梯技术利用超级电容器的快速充电特性、长循环寿命、高比功率、能量转化效率高等特点，将超级电容器组作为储能电源，电梯在重负载向下、轻负载向上及减速时曳引电机所产生的电能，通过双向DC/DC 储存于超级电容器组中，而在电梯的加速段、重负载向上及轻负载向下时(实际耗能过程)将超级电容器所储存的电能，再通过DC/DC 返回至变频器，优先使用，从而达到节能的目的。具体原理如图2所示。

超级电容节能电梯除节能外，还充分利用了超级电容器的特性，将超级电容器高电压段用作电能的回收和再利用，而将低电压段用作后备电源，在发生停电或故障时，可以维持电梯的照明、通风和通讯，并实现电梯平层放出被困人员，从而大大提高电梯的安全性。

图2 超级电容节能电梯原理图

1.4 超级电容节能电梯特点

本课题组自2009年开始从事超级电容节能电梯的技术开发，目前已成功研制出多代产品，可灵活应用于新电梯和旧电梯改造，已通过了权威部门检测和型式实验，目前已进入批量应用阶段。

经检测，超级电容节能电梯在各自行走一个周期的模拟工况下综合节电率为24.77%(最高可达33%)。由于超级电容的蓄能作用，其启动电流在最大的负载条件下比未安装超级电容节能系统的小14.9%，工作电流小22.2%，因此，可以减少供电设备容量20%以上。电梯安装超级电容节能系统装置后的电能质量测试，其电流谐波畸变率与未安装系统前相同。经鉴定，其节能技术处于国际同类产品的先进水平。

超级电容节能电梯主要的特点包括：自主技术创新，握有自主知识产权；节能效果非常显著；回收的电能直接用于电梯驱动，避免了污染电网和电磁干扰；不影响电梯正常使用；电梯用户直接受益，成本与3～5年节约的电费相当；大幅度提高电梯运行的安全性；一体化和模块化设计，应用灵活等，其市场前景非常广阔。超级电容器电源系统接入电梯控制装置的原理图如图3所示。

图3 超级电容器电源系统接入电梯控制装置的原理示意图

2 国家会展中心应用超级电容节能电梯

2.1 国家会展中心节能电梯超级电容系统设计方案

本课题组与国家会展中心电梯中标单位上海三菱电梯有限公司密切合作，针对国家会展中心电梯规格型号、分布、客流等情况，确定了具有代表性的50 余台电梯采用超级电容节能电梯技术，进行了超级电容器电源系统设计。

考虑到电梯的实际情况，兼顾未来的市场推广，因此采用了MUCR48V196 模块作为标准模块，根据电梯的实际状况每台电梯配置2～4个模块。MUCR48V196 模块具有充放电电流大、内阻小、循环寿命长、设计可靠等优点(基本性能参数见表1，外形如图4)，非常适合应用于电梯节能。

表1 MUCR48 V 196 超级电容器模块性能参数

图4 MUCR48 V 196模块外形图

由于电梯使用非常频繁，普通的均衡系统难以保证模块的电压均一性，本课题组针对超级电容器的大功率充放电特性和电梯实际使用工况，设计采用了专用均衡系统。该系统可以在超级电容器频繁充放电的条件下，保证模块内电压差＜20 mV，同时还可采集超级电容器模块的工作状态，并通过符合SAEJ1939 协议的CAN 总线与主机系统连接，输出电压、电流和温度信号，以及故障报警信号等。经前期实验证明该均衡系统具有良好的性能和可靠性，满足节能电梯使用要求。

2.2 国家会展中心超级电容节能电梯效果

(1)节能。超级电容节能电梯是拥有自主知识产权的技术创新成果，不仅避免了污染电网和谐波干扰，还能节省电费，仅需3～5年时间即可收回成本。经过权威部门检测，超级电容节能电梯在模拟工况下综合节电率为25%，最高可达33%以上。50 多台电梯通过采用超级电容和回馈系统结合的方式，年节电约60 万度。更重要的是，超级电容节能电梯将纳入国家会展中心能源智能化管理系统中进行统一管理，进一步提高能源智能化管理系统功能，为建设智能化的绿色国家会展中心服务。

(2)安全。国家会展中心将主要承接大型展会，社会影响巨大，确保参观者的安全是第一位的。超级电容节能电梯具备后备电源功能，在停电和电梯故障时，维持电梯的照明、通风和通讯，并实现电梯平层放人，对于确保公共安全具有重要的意义。普通的超级电容仅仅是“储能器件”，若断开电梯供电电源，正在运行的电梯必然急停，会给乘客带来风险；而安全电梯通过超级电容与电梯控制结合，释放超级电容的储能，研发电源拓扑，实现“停电不急停”的安全功能。在停电的紧急状态下，电梯能够在最近层停靠、平层放人，在最恶劣情况下仍可保证运行15 米以上，一般情况下还可以持续服务一段有限时间。安全电梯在场馆突发停电情况下，除了能照常运行外，缓解了市政大面积停电造成的援救难度，还能维持电梯内的照明、通风和通讯，给乘客提供最大的安全感。

3 结论

国家会展中心利用电梯节能技术的最新成果，批量采用了超级电容节能电梯系统，成为世界上集中使用超级电容节能电梯数量最多的建筑，在大幅节约电能的同时还提高了电梯运行的安全性，社会效益、经济效益和环境效益显著，开创了大型公共建筑节能的新典范，具有重要的引领和示范作用。此外通过使用超级电容节能电梯，还可提高微电网供电质量，减少设备的装机容量等[1-3]。

[1]CONWAY B E.Electrochemical Supercapacitor Scientific Fundamentals and Technological Applications[M].US：Plenum Publishing Co.,1999.

[2]高文伟.中国2010年上海世博会世博中心绿色实践[J].绿色建筑，2010(1)：52-59.

[3]BURKE A.Ultracapacitors：why,how,and where is the technology[J].Journal of Power Sources,2000(11)：37-50.