基于模糊控制策略的超级电容节能电梯研究

冀国郡，王云亮

(1.天津理工大学自动化学院，天津300384；2.天津理工大学天津市复杂系统控制理论及应用重点实验室，天津300384)

基于模糊控制策略的超级电容节能电梯研究

冀国郡1，王云亮2

(1.天津理工大学自动化学院，天津300384；2.天津理工大学天津市复杂系统控制理论及应用重点实验室，天津300384)

在分析电梯变频调速及工作过程中能量流向的基础上，针对电梯回馈能量的回收利用，设计了一种利用超级电容节能的拓扑结构，并提出了一种基于模糊控制的控制策略，采用Matlab/simulink软件进行了仿真，仿真和实验结果都表明超级电容储能的节能系统能够在电机制动时回收制动能量，从而验证了这种节能方案的可行性和基于模糊规则的能量管理方法的有效性。

超级电容；模糊控制；节能电梯；直流母线

采用变频调速系统的电梯要求电机能够四象限运行，当电梯快速制动以及电梯轻载上行或重载下行时，电机处于再生发电状态，产生的再生电能通过逆变器传输到变频器的直流侧的电容上，导致直流母线电压升高，严重威胁系统的工作安全。目前，控制电压过高的方法一般有两种。第一种方法是通过在直流母线上接一个能耗电阻，将多余的能量消耗掉。由于电梯在工作中经常会处在能量回馈的运行状态，这种方法一方面造成能量严重浪费，另一方面电阻发热，使得环境温度升高，影响系统工作的可靠性[1]。第二种方法是对现有变频器改装，将能量回馈装置与变频器的直流侧并联，当电梯处于再生回馈状态时，将电能回馈电网。该回馈装置采用晶闸管整流器时，具有结构简单、成本低、可靠性高的优点，但是功率因数低、会给电网带来很大的谐波污染。还可以采用全控型电力电子器件构成PWM整流器，通过PWM技术，实现能量的双向流动。该装置减小了变频器对电网的谐波污染，但其控制复杂，成本较高，对现有产品的改造比较复杂。第二种方法由于反馈的能量需要经过电力电子装置，所以也会产生损耗[2]。

本文通过模糊控制和并联超级电容，制定合理的控制策略来实现节能。

1 超级电容储能型电梯主电路结构及参数设计

近年来各种储能技术发展迅速，传统的电容储能技术也得到高速发展，出现了容量大，寿命长，效率高的超级电容储能装置。通过将超级电容并联到直流母线上将电梯电机工作在回馈制动运行状态时反馈的能量存储起来，利用超级电容的大容量特性来吸收电梯回馈的电能，使直流侧电压在安全的范围内。当电机工作在电动状态时，储存在超级电容中的电能为负载供电，达到电能重复利用的目的。这种方法显然也是电梯节能的有效手段。由于超级电容的容量很大，只有在一直处在能量回馈阶段时，才会导致直流母线电压过高，在设计参数时，基本可以控制电压在安全范围内，为节约成本，不加入向电网回馈能量的能量回馈装置。在电路设计中，加入超压泄放电路防止发生危险。本文设计的超级电容节能电梯主电路原理如图1所示。

网侧电流经整流后到直流母线上，在母线端串联Buck电路单元，之后并有超级电容和泄放电路。控制器采用模糊控制方法，控制Buck电路的工作。

下面进行定量的分析计算，设计一部实验用电梯，电梯所在大楼共11层，每层高3 m；电梯额定速度v=2 m/s；重力加速度g=10 m/s2；电梯额定载重M0=1 000 kg。

图1 超级电容储能节能主电路原理图

电梯系统在运行过程中存在的主要能量包括重力势能和动能两个部分，其中势能可以表示为：

电梯运行中实际的最大位移为(楼层－1)×楼高，电梯垂直位移h过程中电机需要做功：

式中：M为电梯实际载质量，kg；m1为电梯轿厢质量，kg；m2为电梯对重块的质量，kg；W为电梯垂直位移h时电机所做功，J；W>0即电机运行在电动状态，W<0即电机运行在发电状态。

电梯对重块的质量m2通常表示为：

式中：p为电梯平衡系数，通常取p=0.5。

由已知条件可得：

当电梯实际载重M=500 kg时，在理想状态下电梯不消耗能量，然而由于效率和机械损耗等原因，电梯仍会消耗一部分电能。

电梯实际载重分以下三种情况：半载，M=500 kg；轻载，M<500 kg；重载，M>500 kg。下面将对电梯在一次运行过程中处于电动状态消耗的最大能量和在发电状态回馈的最大能量进行计算:

电梯从11楼到1楼满载下行，电机做负功:

电梯从1楼到11楼空载上行，电机做负功：

电梯从11楼到1楼空载下行，电机做正功：

电梯从1楼到11楼满载上行，电机做正功：

从以上计算可知，电梯从1楼到11楼往返一次过程中，处于电动状态消耗最大能量为150 000 J，处于发电状态回馈的最大能量为150 000 J。

若已知超级电容的端电压和电容容量，则可以计算出超级电容储存的能量为：

式中：E为超级电容储存的能量；C为超级电容容量；U为超级电容端电压。

超级电容组由48个超级电容单体串联而成，额定电压为130 V，额定电容量为6.5 F。

由上述条件可知，单组超级电容储能大小：

假设吸收电梯在某一次运行过程中回馈的最大能量需要N个超级电容组串联，则可得：

可计算出所需超级电容组数为N=3，即由3组超级电容组串联作为储能装置。因此其实际电容量C=6.5/3=1.3 F，额定电压U=130×3=390 V，超级电容组串联等效电阻R=N·R，单体=3×0.56=1.68 Ω[3-4]。

2 系统的控制策略及方法

(1)控制策略

设计的超级电容的最低储能要求是能够将电梯单方向单程运行(如满载从顶楼至一楼下行)时回馈的最大能量充分吸收。具体的控制策略如下：当电机处在电动状态时，如果超级电容SOC较高，则完全由超级电容来提供，如果超级电容SOC不高，电网和超级电容同时供电，当超级电容SOC低时，电网为超级电容充电同时为负载供电。当电机处于能量回馈时，回馈来的电能储存到超级电容中。

(2)控制方法

基于上述结构，为了能更好地控制能量的分配，本文采用模糊控制器来实现对Buck电路的控制。针对电梯在不同运行状态下储能系统功率分配方案可知，控制方案是通过检测超级电容的SOC和负载电流而制定的，而功率分配是通过改变Buck变换器中功率开关管器件的占空比来实现的。模糊逻辑控制器的模型如图2所示。

图2 模糊逻辑控制器结构图

根据电梯系统反馈能量的特点和大量实验及专家的技术经验建立了模糊规则表(表1)。

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3 仿真结果及分析

为了验证所提出的基于模糊规则的能量管理方法的正确性，采用Matlab仿真软件进行了相关的仿真研究，系统结构图如图1所示。

根据电梯的实际运行曲线，本文结合Matlab做了仿真实验。如图3，id代表电网侧电流，io代表负载电流，ic表示超级电容的充放电电流。

图3 超级电容SOC不高时的各电流变化曲线

如图3所示，在0～0.2 s，负载电流较小，完全由超级电容提供电能。当负载电流达到一定值的时候，电网和超级电容共同为负载供电，超级电容提供峰值电流。在5～6.5 s，同样是由超级电容和电网共同为负载供电。在6.5 s后，电梯处在能量回馈状态，负载电流为负，这时关断Buck电路，网侧电流为0，回馈的能量完全由超级电容吸收，以备下次供能时使用。

由图4可以看出，当由超级电容供电时，超级电容的SOC开始下降，当处在能量回馈状态时，SOC开始升高，储存回馈的能量，以备下次供电时使用。

图4 超级电容SOC不高时的SOC的变化曲线

图5所示的电流变化曲线为超级电容SOC较高时的工作状态。当超级电容SOC较高时，负载电流完全由超级电容提供，网侧电流几乎为零。

图5 超级电容SOC较高时的各电流曲线

图6为完全由超级电容供电时，超级电容SOC的变化情况。如图所示，供电时，SOC处于下降状态，能量回馈时，又为超级电容补充了能量。

图6 超级电容SOC较高时SOC的变化曲线

由仿真结果可以得出电梯单程满负荷运行一次直流母线的电压差为60 V。为简化电容储能效率的分析，将超级电容的充放电过程作线性化处理，上升和下降电容消耗的能量相等，得到一个周期内电容器消耗电能的计算公式为：

电梯释放的机械能乘以80%的系数转化成电能E=(150 000×80%)J=120 000 J，所以电容器的储能效率为：

对比不用超级电容电路结构的电能损耗超级电容储能方案的损耗更小，节能效率更高[5]。

基于仿真结果，进一步验证了所提出的拓扑结构及控制策略的可行性，结果表明超级电容不仅可以对负载需求迅速响应，为直流母线提供较高的瞬时功率，而且可以迅速回收回馈制动的能量，达到了能量循环利用的目的。利用模糊规则控制方法可以快速完成能量的分配，按照不同的运行方式来调节电网的输入电流来实现节能。

[1]王司博，韦统振，齐智平.超级电容器储能的节能系统研究[J].中国电机工程学报，2010(9)：105-110.

[2]史俊霞.超级电容在电梯节能中的应用前景探讨[J].电气自动化，2013(1)：69-70，94.

[3]钟国梁.VVVF电梯拖动节能技术应用探讨[J].电气应用，2009，20：74-76.

[4]李彬.超级电容储能的电梯驱动装置研究与应用[D].天津：天津大学，2012.

[5]张慧妍，韦统振，齐智平.超级电容器储能装置研究[J].电网技术，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

冀国郡(1990—)，男，天津市人，硕士，主要研究方向为电力电子与电气传动。