基于超级电容的罐笼能量回馈系统方案研究

任辉 胡国文 杨晓冬

摘 要：矿井罐笼作为矿井提升机系统的重要组成部分起着输送的作用，但由于工作环境的特殊性，外界很难向其内部输送电力，进而无法实现信息交互、照明、报警等基本功能，存在很大的安全隐患。针对这种情况，在充分了解罐笼运行特性及机械结构的基础上，提出了一种以超级电容为储能单元的矿井罐笼自发电与能量回馈系统。整个系统包含交流发电、整流、直流侧稳压、DC/DC变换、储能等单元。为验证系统方案的可行性，在Matlab/Simulink仿真环境下搭建各单元仿真模型进行验证，并对仿真结果进行分析。结果表明，储能单元的加入为矿井罐笼系统功率平衡提供了有力支撑，基于超级电容的罐笼能量回收系统在很大程度够解决罐笼供给电能的问题。

关键词：矿井罐笼；超级电容；能量回馈；Matlab/Simulink

中图分类号： TM92 文献标志码：A [WT]文章編号：1672-1098（2017）03-0050-06

Abstract：Mine cages serve as an important part in the mine hoist system， but because of the particularity of the working environment， it is difficult for the outside world to transmit electric power to the inside， which can not realize the basic functions such as information exchange， lighting and alarming. In view of this situation， based on the understanding of the running properties and mechanical structure of the cage， a self - generation and energy feedback system of mine cage with super capacitor as energy storage unit is proposed. The whole system includes AC power generation， rectifier， DC side regulator， DC / DC conversion， energy storage and other units. In order to verify the feasibility of this system scheme， the simulation model of each unit was built in Matlab / Simulink simulation environment， and the simulation results were analyzed. The results show that the addition of the energy storage unit provides a strong support for the power balance of the coal cage system. The energy recovery system based on the super capacitor can solve the problem of supplying the energy of the cage to a great extent.

Key words：Mine cage； super capacitor； energy feedback； Matlab/Simulink

矿井罐笼作为矿井提升机系统的重要组成部分，起着输送人员、设备、货物等类似于电梯的作用。为了保证整个矿山提升系统安全稳定的运行，需要对提升机的运行状态进行实时监测，目前所采用的传统矿井提升机状态监测系统主要通过地面机房对牵引机的控制来实现，但其不能对罐笼部分的具体情况做出有效的判断。究其原因，主要是由于矿井提升机处于易燃易爆煤矿的特殊环境，再加上井道垂直高度较大等因素，使得无法通过随行电缆的方式将电力输送至罐笼内部，进而也就无法有效地对罐笼进行状态监测，在很大程度上降低了矿井提升机运行系统的自动化程度，同时也增加了工作人员安全的危险程度[1]。

通过对矿井罐笼的运行特性分析知，罐笼在井道上下频繁长距离的运行过程中蕴藏着非常可观的能量可以进行回收利用，超级电容作为一种新型的储能元件，由于本身具有功率密度大、充电时间短、工作寿命长等诸多优点使得在能量管理系统中被广泛应用[2]。通过回收利用矿井罐笼系统能量既解决了能量浪费的问题，同时又很好地将回收能量进行再利用，供给罐笼内部的通讯、照明等负载设备使用，解决了安全隐患问题，提高了系统的自动化及安全程度，有很高的现实意义及应用价值。

1 系统总实现方案及容量配置

矿井罐笼能量回收系统结构图如图1所示，罐笼在矿井作业中频繁上下移动，蕴藏着非常可观的能量。出于对罐笼结构及尺寸大小的考虑，系统选取三相交流永磁同步发电机作为发电设备，通过罐笼罐耳及联动装置如皮带或者齿轮等带动发电机运转发电，产生三相交流电，经过SVPWM整流将其变为稳定的直流电，由于罐笼内部负载电压等级与超级电容模组的电压等级存在差异，为此加入DC/DC变换器模块来满足不同电压等级需求[3]。超级电容与负载并联接在DC/DC变换器上，系统发出的电会优先供给负载，当交流侧电能较为充裕时，再利用超级电容进行多余能量的存储[4-5]。由于超级电容具有功率密度大、充放电时间短、使用寿命长的突出优点，所以一旦系统出现功率不平衡问题，可以利用超级电容进行瞬时大功率的供给，从而实现整个系统的功率平衡，保证系统安全持续运行[6]。

结合矿井罐笼实际运行工况与超级电容自身特点，对系统功率、容量进行相关的配置，目的是为了保证系统在稳定运行的同时达到最优效果。

设定PLOAD为负载总功率，PDCH为超级电容储能系统放电功率，以江苏某矿井罐笼为例，该矿井罐笼为双层罐笼，其主要用电设备为照明灯、开关门电机、通讯机。该双层罐笼可以采用2个功耗在20W左右的直流LED灯作为照明装备，电机以普通自动门电机作为参考，以三菱SAD-150D无刷直流电机为例，其额定功率为80W，额定电压为24V，额定电流3.5A，适用于150KG*2双扇自动门，即对于该双层罐笼来说，自动门电机数量为4个。再加上下2个通讯机设备（功率在10W左右），可以得到系统负载总功率PLOAD为380W，即系统正常稳定运行时要求超级电容储能系统放电功率PDCH≥380W。出于对安全裕量和装置器械机械效率（一般在80%左右）及损耗考虑，取PDCH=500W。对于双层矿井罐笼而言，其每层左右两端有两组罐耳，每组有3个罐耳，即共12个滚轮罐耳，每组选用一个罐耳用来联动发电，即需要4个三相交流永磁同步发电机，所以通过计算知选用的交流电机额定功率不低于125 W才可以满足系统要求。

由于矿机罐笼上下运行时间非常短，对于矿井井道在350米左右的罐笼其运行周期一般在2min，所以传统储能方法无法在短时间回收大量能量，超级电容因为其功率密度大的突出优点可以很好的解决这一问题。结合前面对系统功率的分析，在这里可以选用由美国Maxwell公司生产的BMOD0165P048804/B08电容模组，它是由3.7V/3 000F的超级电容单体组成，模组额定容量为165F，额定电压为48V，等效内阻为6.5mΩ，额定电流为200A，经过计算，该模组完全满足系统对功率的要求，而且额定电压48V能够满足罐笼负载对电压等级要求，同时方便DC/DC变换器的控制。

2 SVPWM整流器模块

2.1 SVPWM拓扑结构

SVPWM整流器作为矿井罐笼能量回收系统重要组成部分，起着能量传输作用，通过电力电子器件整流变换将交流电能转换为直流电能。本系统中选择的开关元件为可控型，通过调节开关管触发脉冲PWM波占空比大小便可以得到不同输出等级大小的直流电[7]。其结构拓扑图如图2所示，其中ea、eb、ec为三相永磁同步交流发电机发出的三相交流电电动势，ia、ib、ic为交流侧的三相交流电电流，L为滤波电感，R为线路与开关的等效电阻，Cdc为直流侧稳压电容，Vdc为直流侧输出电压。

2.2 双闭环控制

如图3所示，为了实现对整流器的控制，首先要采集三相交流电机发出的电压和电流，从而得到在静止坐标系（a，b，c）下的电势与电流，经过park变换后，得到了在（d，q）坐标下的有功分量和无功分量，通过前馈解耦，便可以实现直接电流控制[8]。双闭环指的是电压环作为外环，电流环作为内环，整流后的直流电压反馈与给定电压的差值经电压PI调节后作为d轴电流的给定值id，通过控制id的大小及符号来控制功率的大小及方向。为了实现系统交流侧工作在单位功率，取i*d=0，d、q轴电流给定值与实际测得的电流值比较后经电流PI调节器调节，输出的v*d、v*q作为整流器交流侧基波电压的d轴与q轴分量的给定值，经SVPWM调制后，产生6路驱动脉冲，用来控制开关管MOSFET的动作。采用这种双闭环控制方法可以稳定直流侧母线电压的大小，防止功率波动的出现，提高系统的稳定性。

交流发电机发出来的三相交流电经过SVPWM整流后变为直流电，此时的直流电压等级仍然比较高，一般为500V左右（可以设定）。而罐笼内部负载的电压等级大小不同，有的是照明设备，有的是通讯设备，有的是报警显示设备等等，同时出于对超级电容模组的保护，其充电电压等级不能太高，否则的话对超级电容的冲击就会很大，影响其使用寿命[9]。因此在向负载端供电前需要加入DC/DC转换模块[10]。

当超级电容存储的能量较多，而罐笼处于停止、低速、减速等状态时，发电机发出的功率不能满足负载需求，而超级电容存储的能量较多时，这种情况下就可以通过boost电路将电压等级提升，然后供给罐笼内部负载使用，从而实现存储能量的流动与再利用[11]，保证罐笼内部照明、报警、通讯的持续工作，继而保证了整个矿井系统安全稳定运行。

如图4所示，当三相交流发电机处于正常发电状态时，能量将流向负载及超级电容器一端，对负载供电以及向超级电容充电，此时DC/DC变换器处于降压状态，由VQ3、VQ4、C1和L构成降压buck电路；当超级电容对外放电释放能量时，DC/DC变换器处于升压状态，由VQ1、VQ2、C2和L构成降压boost电路[12]。双向DC/DC变换器的存在，提高了系统的功率输出能力，合理分配、利用系统中的能量，保证系统的正常运行。

4 超级电容模组

4.1 超级电容特性分析

超级电容又称为法拉电容或者黄金电容，其储能的过程并不是利用化学反应，而是通过极化相应的电解质来进行能量的存储，因此与传统的蓄电池相比较，具有能量密度大、充电时间短、使用寿命长、工作温度范围宽，同时对环境无任何污染，因此在诸多领域得到越来越多的关注与应用[13]。

4.2 超级电容模组配置

超级电容虽然具有诸多的优点，但是也存在不可避免的缺陷。由于超级电容的单体电压比较低，一般为5V或者5V以下，随着电力电子技术与制作工艺的不断发展与改进，目前应用于储能方面的超级电容单体电压已经可以达到15V上下，但是在實际工程应用中仍然需要通过串并联电容单体来提升电压和功率等级[14]。

4.3 超级电容均压电路

由于生产工艺等客观因素的存在，单体电容之间存在分散性，即相互间的额定电压与容量并不完全相同，并且随着工作时间的增长这种分散性会越来越明显，最终导致的结果就是在采用恒流充电完成后往往会发现不理想的情况，例如有些单体电容的电压远远没有达到预设值（欠充），而有些单体电容却会出现高于预设值（过充）的情况，这将在很大程度上影响超级电容模组的功率平衡能力。因此在进行串并联超级电容单体来抬升电压和功率等级的储能系统中必须要加入均压电路，来抑制单体电容间的分散性，同时还要加入保护电路，来预防单体电容的过充和欠充，以免影响整个电容模组的使用寿命。

所设计的均压电路如图5所示。其中S1、S2、S3、S4是单向可控型开关，由MOSFET来代替，其内阻很小，可以近似忽略，同时控制比较简单、精确，闭合时可以等效成一根导线；断开时，可以等效成断路[15]。S5、S6是双向可控型开关元件，用来实现并联超级电容模组之间的能量流通，实现欠充单体电容的快速能量补充，保证了能量的合理利用，避免了能量浪费，同时控制简单，均压效果好，适合储能超级电容模组均压电路设计。

在Matlab/Simulink仿真环境下通过搭建仿真模块和参数设定分别对SVPWM整流器模块、DC/DC变换器模块、超级电容模组充电模块进行仿真。

1） SVPWM整流器模块

假设三相交流发电机发出的单相交流电动势的电压幅值为300V，交流侧的电流幅值为20A，经SVPWM整流后的直流母线侧的设定电压为560V，则仿真波形如图6所示。

2） DC/DC变换器模块

由于DC/DC的buck和boost两种工作模式是互逆的过程，在这里分别对buck、boost工作模式进行仿真，buck模式下设定直流母线侧的输入电压为200V，开关管的MOSFET的PWM脉冲波的占空比D=0.4，则降压输出后的结果应为80V。boost模式下设定超级电容模组的端电压为10V，开关管的MOSFET的PWM脉冲波的占空比D=0.6，则升压输出后的结果应为25V，仿真图形如图7所示。

3） 超级电容模组

为了验证超级电容单体串联的充电效果，对充电模组做以下参数设定：超级电容模组由6块单体电容串联组成，每块单体的额定电容为100F，设定模组的端电压的上限值为60V，即端电压值在60V以下时充电，否则自动停止充电。设定每个单体电容起始端电压为7.6V左右，上下波动不超过0.1V，波动的设定是为了检验电路的均压效果。除此之外设定充电方式为恒流充电，大小为60A，仿真时间为5s，仿真后的波形如图8所示。从仿真结果可以看出，采用恒流充电方式下的超级电容单体端电压呈直线形式上升，这与理论推导完全相符。除此之外，仿真后端电压均在同一时间点稳定在10V，没有出现欠充和过充的不健康情况，达到了预期的目的。

6 结论

本文提出了一种基于超级电容储能的矿井罐笼自发电与能量回馈系统实现方案。进行了理论分析、Matlab/Simulink仿真验证。结果表明：该方案能够实现系统交流侧整流、直流侧稳压、功率变换、超级电容储能等单元功能，证明了矿井罐笼系统能量回馈方案的可行性，具有一定现实意义与实际应用价值。

参考文献：

[1] 苏长胜. 矿井提升机控制技术研究现状与发展[J]. 工矿自动化，2013，39（2）：33-38.

[2] 刘博. 基于纯电动汽车的制动能量回收系统的研究与实现[D]. 北京：清华大学，2004.

[3] 邓哲. 带超级电容模块的馈能型电梯驱动系统若干关键技术研究[D].杭州： 浙江大学，2013.

[4] 谢东亮，薛峰，宋晓芳.基于最优价值网络的储能系统调度优化及仿真[J].电力系统自动化，2016，40（24）：42-48.

[5] JIN C，TANG J，CHOSH P.Optimizing electric vehicle charging with energy storage in the electricity[J].IEEE Trans on smart Grid，2013，4（1）：311-320.

[6] 皇甫海文. 基于超级电容的矿井提升设备功率补偿及能量回收系统研究[D]. 北京：北京交通大学，2015.

[7] 金一丁， 宋强， 刘文华. 基于公共直流母线的链式可拓展电池储能系统及控制[J]. 电力系统自动化，2010，34（15）：66-70.

[8] 李金金. 基PLC控制的变频调速在矿井提升机中的应用[D]. 太原：太原理工大学，2007.

[9] 李建林，田立亭，来小康.能源互联网背景下的电力储能技术展望[J].电力系统自动化，2015，39（23）：15-25.

[10] 唐鹏. 电动汽车制动能量回收分析与研究[D]. 合肥：合肥工业大学，2007.

[11] XUE Y.Energy Internet or comprehensive energy network[[J].Journal of Modern Power Systems and Clean Energy，2015，3（3）：297-301.

[12] HUANG Y， LIANG J， CHEN Y. An Overview of the Applications of Graphene‐Based Materials in Super capacitors[J]. Small， 2012， 8（12）： 1 805-1 834.

[13] 杨珺，张建成，周阳，等.针对独立风光发电中混合储能容量优化配置研究[J].电力系统保护与控制，2013，41（4）：38-44.

[14] 邓哲， 周峰武， 金灵辉， 等. 基于超级电容储能与自适应功率预测模型的电梯制动能量回收系统并网功率优化控制[J]. 电工电能新技术，2013，28（9）：205-213.

[15] 胡国文，李超，林萍. 超级电容器电压均衡技术研究综述[J]. 电测与仪表， 2014，51（22）：22-29.

（責任编辑：李 丽，吴晓红，编辑：丁 寒）