基于超级电容储能系统的电梯微网电压波动控制策略研究

陈 霞，陈 耀，高 健，徐 悦，刘洪晴，王 震

(山东科技大学 电气与自动化工程学院，山东 青岛 266590)

基于超级电容储能系统的电梯微网电压波动控制策略研究

陈 霞，陈 耀，高 健，徐 悦，刘洪晴，王 震

(山东科技大学 电气与自动化工程学院，山东 青岛 266590)

针对电梯超级电容(SC)能量回馈系统(ERS)，设计了基于双模糊控制器与传统控制系统相结合的控制策略。两个模糊逻辑控制器(FLC)根据电网电压变化与充放电电流纹波，在线调整直流母线给定电压，并将调整的直流母线给定电压作为传统电压电流双闭环控制给定电压，作用于DC-DC变换器。仿真结果表明，这种控制策略能够降低电网能量消耗，提高电梯能量利用率。

超级电容；电梯；模糊控制器；DC-DC变换器

随着现代城市建筑群的不断增加，电梯作为高层建筑群的主要运输工具，其数量正在迅速增长。在整个建筑耗能中，电梯耗能远高于其他用电设备，占到整个建筑业耗能的5%～15%，所以虽然电梯给人们的生活带来了方便，也带来了能源消耗方面的问题。在电梯中，制动产生的能量通过制动电阻消耗掉，虽保护了能量回馈电路，但造成了能量浪费[1-2]。目前对能量回馈研究主要有两种：一种是使用并网逆变器将多余能量回馈并网，可由独立PWM逆变器并联在整流器或采用双向PWM整流器实现；另一种方法为直流储能，将双向DC-DC变换器挂接在直流母线，回馈能量时将多余能量储存在储能元件中，耗能时再将能量释放到直流母线上利用。由于回馈并网电能难以保证与公共网的相位与频率相同，易对电网产生干扰，因此主要研究第二种能量回馈方式。

超级电容(supercapicitor，SC)因与一般化学电池相比，储能原理和外特性具有典型的电容特性，在充放电过程中，电压近似成线性增长和减少，适用于频繁应用的大功率充放电场合[3]。随着超级电容技术不断发展，将超级电容应用于电梯节能，已成为当前新的研究方向。通过阅读和研究国内外文献，发现很多研究忽略了电网电压波动对超级电容储能系统的影响[4]。传统非隔离型双向DC-DC电路的超级电容储能系统，常采用直流母线电压外环、电感电流内环的控制策略，主要用于抑制充放电电流纹波，但忽略了电网电压变化对储能系统影响[5]。文章[6]将传统非隔离型双向DC-DC电路应用于电梯制动能量回收系统(energy recovery system，ERS)中，并加入了模糊控制器(fuzzy logic controller，FLC)作用于控制系统，也未考虑电网电压波动对储能系统的影响。

基于上述研究，本文在传统控制方法基础上，设计了两个模糊控制器，即电压和电流模糊控制器。根据电梯的运行状态，模糊逻辑控制器根据反馈，在线调整直流母线给定电压，作用于储能模块。搭建仿真模型对比传统方法和模糊控制方法下的储能系统节能效果，仿真结果表明，加入模糊控制方法能抑制电网电压波动对储能系统的影响，提高储能系统节能效率。

图1 SC储能式电梯能量回收系统结构图

图2 电梯运行时能量流动状态

1 系统结构组成和能量流动

基于超级电容储能式电梯能量回收系统结构图如图1所示，其包括轿厢、超级电容储能系统、制动电阻电路、电机变频器和电机。超级电容储能系统作为能量储存系统，由SC模块和双向DC-DC变换电路组成，与直流母线并联，实现能量的存储与释放；系统保留制动电阻电路作为保护电路，与直流母线连接；电机变频器作为电机驱动与电梯永磁同步电机连接。

根据电梯运行方向与负载情况，消耗能量或产生能量。有如图2所示四种能量流动状态：(a)为当电梯处于耗能时，电梯运行所需要能量由电网与超级电容储能系统提供；(b)为在超级电容被充满时或停电时独自给电梯供电；(c)为电梯电机制动时，产生制动能量由超级电容储能系统吸收；(d)为当超级电容充满时，通过制动电阻电路消耗多余能量。

2 电梯制动能量回收系统控制策略

2.1 能量回收系统控制单元

在传统系统中，直流母线给定电压是固定的，其值比变换器直流母线电压值高。当电网交流侧电压恒定不变时，超级电容储能系统可以获得期望运行模式；当电网交流侧电压变化时，虽然超级电容储能系统仍然能够吸收电梯制动能量和提供能量，却容易受到冲击并增加电网能量消耗。特别是，当电网交流侧电压增大时，直流母线给定电压低于变流器直流输出电压，尽管超级电容被充满电可以给电梯电机供电，电梯所需要能量主要由电网提供。当电网交流侧电压减少时，电网需要提供额外能量去跟踪直流母线给定电压。

图3 模糊控制系统单元

图4 直流母线电压给定算法流程图

2.2 模糊控制器

为了实现直流母线给定电压在线调整，本文采用专家经验法根据电梯运行的实际情况，设计了模糊控制器，其包括电压和电流模糊控制两个模块[12]。

If (error is VL) then (Out_1 is VS)

If (error is L) then (Out_1 is S)

If (error is N) then (Out_1 is M)

If (error is H) then (Out_1 is B)

If (error is VH) then (Out_1 is VB)

图6为模糊逻辑控制设置和每个信号对应的函数。

表1 SC电流模糊控制规则表

模糊控制规则结构如表1所示。

1) 当电梯电机处于电动状态时，直流母线电压应该增加，PI控制器用来控制，使超级电容模块给电梯提供最大能量。

2) 当电梯电机处于制动状态时，直流母线电压应该减小，超级电容模块能量吸收率最大。

3) 当电梯处于空闲模式时，直流母线电压设置在中间值。

3 基于超级电容的双向DC-DC变换器

将通过模糊控制单元调整后的直流母线给定电压，作用于DC-DC变换器的双闭环控制中，完成超级电容的充放电。为了减小电流纹波延长超级电容使用寿命，变换器在储能过程中的作用尤为重要。

图5 电网电压模糊控制器函数

图6 电流模糊控制器函数

从电梯储能装置对电压增益要求与成本方面考虑，选择非隔离双向DC-DC变换器。本文将超级电容等效为一个理想电容Csc与等效电阻Rep并联后再串联等效电阻Res[13]。双向DC-DC变换器储能系统电路模型如图7所示[14]。

设超级电容电压上下阀值：Vmax、Vmin，为了提高SC充电效率，防止充电和放电过度造成SC寿命缩短，超级电容电压的上下阀值的关系如式(1)，上下阀值电压的比值系数为D。

Vmin=DVmax,D≥0.5。

(1)

超级电容能量存储系统可存储最大功率通过式(2)获得。

(2)

根据超级电容电压阀值Vmax与Vmin，SC储能系统最大吸收与释放功率满足式(3)。

图7 DC-DC变换器电路模型

(3)

对于双向DC-DC变换电路，选取合适的电感L有利于控制充电电流纹波，L可由式(4)计算获得。

(4)

式中：P为超级电容最大有功功率；f2为开关频率；D2取变换器工作在Boost电路模式下开关管Ts最小占空比[15]。

为了避免超级电容储能系统过热，影响能量存储容量和操作时间，必须控制超级电容电流纹波[16]。电流纹波在DC-DC变换器模式下计算公式为(5)。

(5)

由公式(5)可以看出，L和Ts是给定值，Vdc可以用来减小超级电容电流纹波ΔIsc。因此，直流母线电压Vdc根据电梯运行状态进行调整，作为传统电压电流双闭环控制给定电压，减小超级电容电流纹波，保护超级电容。

4 仿真与分析

本文在simulink中搭建超级电容储能系统仿真模型，该模型主要由DC-DC变换器电路、 模糊控制器，PI控制器和超级电容等部分组成，如图8所示。对模糊控制方法下超级电容充放电进行仿真验证。仿真参数见表2。

图8 超级电容储能系统模型

电梯系统采用4.5kW永磁同步电机，超级电容模块储能系统存储最大容量40.4kJ，DC-DC电路载波频率为20kHz。电梯系统仿真参数见表3。

表2 储能系统参数

表3 电梯系统参数

图9 直流母线电压

图9和图10为系统模拟电梯重载下行、上行时，在电网电压增加5%的情况下，传统控制与模糊控制模式下对应的仿真波形，分别对应电梯运行制动、空闲和电动三种状态：

1) 1～6s期间电梯为制动状态。首先对图9中的直流母线电压波形图进行分析，可看出模糊控制状态下直流母线电压有跳变，因此模糊控制器起到了抑制电网电压波动的作用；其次通过对比图10中传统和模糊控制下的超级电容充放电电压图可知，在传统控制方法下充电电压最低点289V电压升高至347V，斜率为11.6，电压升高了58V，在模糊控制方法下充电电压最低点291V最高点350V，斜率为11.8，电压升高了59V。由此可以看出模糊控制模式下超级电容充电效率大于传统模式下。

2) 6～7s期间电梯为空闲状态，图10中在传统控制方法下电压为稳定值345V，在模糊控制方法下电压为稳定值347V，可以看出在模糊控制方法下电压稳定值相对于传统方法较高。

3) 7～12s电梯为电动状态。同样首先对比图9中的直流母线电压波形，可看出模糊控制状态下直流母线电压有跳变，模糊控制器起到了抑制电网电压波动的作用；其次通过对比图10中的超级电容充放电电压可知，在传统控制方法下放电曲线斜率为-14，电压放电前为345V，放电后变为275V，相比电压降低了70V，在模糊控制方式下放电曲线斜率为-15.5，电压放电前为347V，放电后变为270V，相比电压降低了77V。由此可以看出模糊控制模式下超级电容放电效率大于传统模式。

图10 超级电容充放电电压

通过以上对储能系统传统控制方式与模糊控制方式比较可以看出，在电动状态时模糊控制方式下超级电容能够回馈更多的能量，同样在制动过程中模糊控制方式下超级电容能够吸收更多的制动能量，减少能量浪费，因此模糊控制方式下超级电容充放电量和充电速率都大于传统方式，提高超级电容充放电的效率。

5 总结

在传统超级电容储能控制系统基础上，针对电网电压波动导致的超级电容充放电效率降低的问题进行了研究分析和改进，在原储能系统的基础上增加两个模糊控制器。通过仿真结果表明：双模糊控制策略能够减小电梯微网中的电压波动对电梯储能系统影响，提升超级电容的储能供能效率，同时对能量回馈系统起到较好地保护作用，进一步优化了电梯制动能量回收系统，更好满足电梯节能需求。

[1]HEJinping,MAOChengxiong,LUJiming.Designandimplementationofanenergyfeedbackdigitaldeviceusedinelevator[J].IEEETransactionsonIndustrialElectronics,2011,58(10):4636-4642．

[2]LIBin,WanJianru,LIMingshui,etal.Researchonelevatordrivedevicewithsupercapacitorforenergystorage[C]//InternationalConferenceonPowerElectronicsSystemsandApplications,IEEE,2011:1-5．

[3]罗志群,万健如,黄绍伦,等.超级电容储能式电梯应用研究[J].电机与控制学报,2015,19(6):55-60.LUOZhiqun,WANJianru,HUANGShaolun,etal.Researchandapplicationtosuper-capacitorforelevatorenergy-saving[J].ElectricMachineandControl,2015,19(6):55-60.

[4]余丽丽,朱俊杰,赵景泰.超级电容器的现状及发展趋势[J].自然杂志,2015,37(3):188-196.YULili,ZHUJunjie,ZHAOJingtai.Thepresentsituationanddevelopmenttrendofsupercapacitors[J].ChineseJournalofNature,2015,37(3):188-196.

[5]杨惠，孙向东，钟彦儒,等．基于双向DC-DC变换器的超级电容器储能系统研究[J].西安理工大学学报，2011，27(4):456-460．YANGHui,SUNXiangdong,ZHONGYanru,etal.Researchonasupercapacitorenergystoragesystembasedonbi-directionalDC-DCconverter[J]．JournalofXi’anUniversityofTechnology,2011,27(4):456-460．

[6]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，2013，35(1):69-70.SHIJunxia.Supercapacitorintheelevatorenergyconservationapplicationprospect[J].ElectricalAutomation,2013,35(1):69-70.

[7]LIZheng,RUANYi.Anovelenergysavingcontrolsystemforelevatorbasedonsupercapacitorbankusingfuzzylogic[C]//Proceedingsofthe11thInternationalConferenceonElectricalMachinesandSystems，2008(5):2717-2722.

[8]JABBOURN,MADEMLISC,KIOSKERIDISI.Improvedperformanceinasupercapacitor：BasedenergystoragecontrolsystemwithbidirectionalDC-DCconverterforelevatormotordrives[C]//IETInternationalConferenceonPowerElectronics,MachinesandDrives(PEMD2014),2014：1-6.

[9]PERRYAG,FENGG,LIUYF,etal.AdesignmethodforPI-likefuzzylogiccontrollersforDC-DCconverter[J].IEEETransactionsonIndustrialElectronics,2007,54(5):2688-2696.

[10]JABBOURN,MADEMLISC.Supercapacitor-basedenergyrecoverysystemwithimprovedpowercontrolandenergymanagementforelevatorapplications[J].IEEETransactionsonPowerElectronics,2017(99):1-1.

[11]冀国郡,王云亮.基于模糊控制策略的超级电容节能电梯研究[J].电源技术,2016,40(8):1673-1674.JIGuojun,WANGYunliang.Studyoncontrolstrategyofenergy-savingelevatorwithsupercapacitorbasedonfuzzycontrol[J].ChineseJournalofPowerSources,2016,40(8):1673-1674.

[12]陈雪丹,陈硕翼,乔志军,等.超级电容器的应用[J].储能科学与技术,2016,5(6):800-806.CHENXuedan,CHENShuoyi,QIAOZhijun,etal.Applicationsofsupercapacitor[J].EnergyStorageScienceandTechnology,2016,5(6):800-806.

[13]邓哲,周峰武,吕征宇.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[J].电工电能新技术,2014,33(2):22-28.DENGZhe,ZHOUFengwu,LÜZhengyu.Optimalefficiencycontrolstrategyofelevatorenergyrecoverysystembasedonsuper-capacitorstorageandVSC[J].AdvancedTechnologyofElectricalEngineeringandEnergy,2014,33(2):22-28.

[14]高明远．双向DC-DC变换器基于切换系统的建模与储能控制[J]． 电力系统保护与控制，2012，40(3):129-134．GAOMingyuan．ModelingandenergystoragecontrolforbidirectionalDC-DCconverterbasedonswitchingsystem[J].PowerSystemProtectionandControl,2012,40(3):129-134．

[15]马奎安.超级电容器储能系统中双向DC/DC变流器设计[D].杭州:浙江大学，2010.

[16]武伟,谢少军,张曌,等.基于组合型双向DC-DC变换器的超级电容储能系统控制策略分析与设计[J].电源学报,2016，14(3)：83-93.WUWei,XIEShaojun,ZHANGZhao,etal.AnalysisanddesignofcontrolstrategyforMMC-BDCbasedultra-capacitorsenergystoragesystems[J].JournalofPowerSupply,2016，14(3)：83-93.

(责任编辑：傅 游)

Control Strategy of Elevator Micro-grid Voltage Fluctuation Based on Supercapacitor Energy Storage System

CHEN Xia, CHEN Yao, GAO Jian, XU Yue, LIU Hongqing, WANG Zhen

(College of Electrical Engineering and Automation, Shandong University of Science and Technology, Qingdao, Shandong 266590, China)

Focusing on the control strategy of supercapacitor (SC) energy recovery system (ERS) in the elevator, this paper proposed a control strategy based on the combination of double fuzzy controller and traditional control system. According to the power grid voltage change and the charging and discharging current ripple, two fuzzy logic controllers (FLC) adjusted the given DC bus voltage online, and the adjusted given DC bus voltage was applied to DC-DC converter as the given voltage of the traditional voltage current double closed-loop control. Simulation results show that the control strategy can reduce the grid’s power consumption and improve the elevator energy utilization.

supercapacitor; elevator; fuzzy controller; DC-DX converter

2016-07-04

山东科技大学研究生科技创新项目(YC150344)

陈 霞(1968—)，女，山东青岛人，副教授，主要从事电力电子技术、电力系统及其自动化等方面研究. E-mail：sdkdcx@126.com 陈 耀(1989—)，男，山东泗水人，硕士研究生，主要从事电力电子与电力传动、超级电容充放电等方面研究，本文通信作者.E-mail：727116182@qq.com

TM921

A

1672-3767(2017)05-0072-08

10.16452/j.cnki.sdkjzk.2017.05.011