基于超级电容和最大功率跟踪法的电梯节能系统设计＊

2017-12-13肖春华李明仕

科技与创新 2017年24期

关键词：馈电线电压直流

肖春华，李明仕

（1.武汉软件工程职业学院电子工程学院，湖北武汉 430205；2.武汉艾德杰电子有限责任公司，湖北武汉 430000）

基于超级电容和最大功率跟踪法的电梯节能系统设计＊

肖春华1，李明仕2

（1.武汉软件工程职业学院电子工程学院，湖北武汉 430205；2.武汉艾德杰电子有限责任公司，湖北武汉 430000）

针对市场上现有的节能电梯控制器通过逆变电路直接将电梯馈能传送给电网，给电网带来谐波污染的问题，提出了使用超级电容作为能量缓冲器，利用最大功率跟踪法为超级电容充电，最大程度回收利用电梯的馈能，实现充分节能。这个方案的实现具有良好的社会效益和经济效益。

节能电梯；谐波污染；超级电容；最大功率跟踪

随着电梯应用的日益普及，每年电梯耗能量也是节节攀升，各种节能电梯的设计和应用也广泛开展。在电梯使用过程中，有接近1/2的时间是处于发电状态[1]。在现有节能电梯设计方案中，普遍通过设计逆变电路将这部分能量回馈到电网中。虽然这种处理方式实现了能量的回收利用，但也存在一个显而易见的缺陷，即通过逆变电路输出的逆变交流电输送到电网中时，一定会对电网造成谐波污染[2]。针对此，本文提出了一种基于超级电容和最大功率跟踪法的电梯节能系统设计方案。

1 系统整体方案设计

系统的设计框架如图1所示。该系统包括与电梯控制器连接的DC/AC模块、DC/DC模块、超级电容组和系统控制模块。之所以采用超级电容作为储能元件，是基于2个方面的原因：①超级电容具有大电流充放电特性，能及时回收电梯发电运行时产生的电能，相较普通铅酸电池有较大的优势。②从成本上来看，铅酸电池的充放电寿命为500次，锂电池为2 000次左右，而超级电容组充放电寿命可以达到100万次。如果仅按电梯一天运行50次计算，每次为半充半放，每天充放电次数为25次，采用超级电容进行储能，工作寿命能够轻松达到20年，极大地降低了运营成本。

在电梯运行过程中可能会遇到停电的情况，因此，在该框架下，双向DC/DC变换模块包含2个功能：①在电梯正常使用的过程中，当电梯处于发电状态时，要对超级电容进行充电，实现能量回收。当电梯处于耗能状态时，将存储在超级电容的电能取出，通过直流母线馈送给电梯控制器，实现能量的再利用，达到充分节能的目的。②当突然停电时，该系统还要当作应急电源使用，除了给电梯控制器的直流母线供电外，还要将超级电容里剩余的电能取出，转换为直流600 V供给DC/AC逆变模块，DC/AC逆变模块将之转变为380 V的交流电给电梯控制器供电，以确保电梯的使用安全。

图1 系统框架图

图2 电梯运行速度曲线

2 系统设计的关键技术

2.1 超级电容的参数设计

超级电容在系统中起到了能量缓冲器的作用，所以，应尽可能地回收电梯的馈能。另外，在具体设计中，还要考虑成本问题。如果容量不够，就不能充分吸收电梯的回馈电能，造成能源浪费，污染环境；如果容量设置冗余，就会增加成本，在某种程度上失去节能装置的意义。因此，超级电容的参数设置起到了至关重要的作用，是系统研究的重点问题之一。电梯馈能运行时有2部分能量，一个是电梯运行的动能，另一个是电梯运行产生的势能。电梯运行时是变速运动，速度变化比较大，因此，动能变化也比较大，本设计中主要考虑势能的回收利用。

图2是典型的电梯运行速度曲线，考虑到电梯的运行速度和乘客的舒适性，一般采用抛物线类型的S曲线。根据国家标准的规定，起动和制动的加速度宜设置为1.5～2.0 m/s2。当额定速度为1.0～2.0 m/s时，加速度宜设置为0.50～2.0 m/s2，所以，电梯的加速度一般为1.83 m/s2。电梯在空载上行或满载下行时回馈功率最大，从底楼到顶楼运行回馈能量最大，超容选取应基于最大能量回馈。

电梯势能按式（1）计算，即：

式（1）中：m1为电梯轿厢质量和额定载质量之和；m2为电梯配重。

项目组在设计本装置时，所用的电梯参数为：电梯轿厢质量1 200 kg，额定载重量为1 000 kg，对重质量为1 700 kg，按照楼层为21层，每层层高4 m设计。

根据式（1）可以计算出电梯从1层运行到21层产生的势能为：Eg＝（m1+m2）gh＝（1 200+1 000-1 700）×9.8×80＝392 kJ。

超级电容的储能按式（2）计算，即：

式（2）中：V1为超级电容最高电压；V2为超级电容回馈电能时的最低电压。

具体设计时，超级电容储能必须大于电梯运行产生的势能，即需要满足式（3），即：

式（3）中：η为电能转换效率。

考虑到电梯启动时的功率比较大，为了减小损耗，在反复实验的情况下，将超级电容电压最高电压V1设为400 V，超级电容回馈最低电压V2取200 V。此时，超级电容储能利用率为75%.

通过上述公式可以算出，C＞6.87 F。

超级电容的另一个作用是，其作为应急装置，需要在紧急情况下提供电能，其电压在任何情况下都要保持一定数值，也就是超级电容回馈时最低电压为V2。为了减小双向变换器的设计难度，超级电容放电到一定电压时要停止，设超级电容放电截止电压为Vmin，当电梯运行在某两层之间突然停电时，在超级电容能够完全放电情况下，其提供的能量应满足：

式（4）中：h为应急平层时电梯的运行距离，因为层高4 m，所以应急平层时运行最大距离为4 m。

由式（4）可以求得超级电容放电截止电压为184 V。

采用单体电压为2.7 V的超级电容，考虑到安全，需要留有一定余量，单体电压按照2.65 V计算，则需要的超级电容的个数为：400/2.65≈150个，需要的超级电容总容量为：C＝150×6.87＝1 030 F。因此，最终本设计使用的超级电容组由150个1 200 F/2.7 V规格的超级电容串联而成。

2.2 最大功率跟踪法的应用

在该系统中，电梯变频器的直流母线是通过双向变换器为超级电容充电的[3]，只有在确定电梯馈能时才能给超容充电。由于电梯实际运行工况复杂，载重往往无法定，要到往的楼层也不确定，因此，无法确定电梯馈能。

在电梯馈电运行时，直流母线电压会升高[4]。为了防止直流母线电压过高，电梯变频器都加有能量泄放电阻。当直流母线电压达到设定电压时，就接通泄放电阻；当直流母线电压低于设定电压时，断开泄放电阻[5]。因此，在电梯馈能时，电梯的直流母线基本会维持一个固定电压，与电梯馈能的关系不大。通过判断直流母线电压大小来判断电梯是否运行在馈电状态是可行的，但是，以直流母线电压来确定超容的充电功率不可行。

为了适应电梯馈能的变换，要求超级电容的充电功率是可变的，即要随着电梯馈电的多少来改变。如果充电功率大于电梯馈电功率，会导致直流母线的电压低于正常电压，从而引起电梯误报警。如果充电功率小于电梯馈电功率，会有一部分馈电能量浪费在泄放电阻上。

为了解决这个问题，系统中超级电容的充电功率采取最大功率跟踪法充电，充电功率随着电梯馈电功率而改变。这样做，既不影响电梯的安全运行，又实现了电梯馈能的最大利用。控制部分原理如图3所示。

图3 最大功率跟踪硬件设计框图

电压电流检测电路采集到的电梯变频器直流母线相关信息经A/D端口送入微控制器进行最大功率点跟踪算法分析计算后，微控制器通过模块输出PWM脉冲控制DC/DC变换器中功率管的导通占空比，实现对超级电容充电电流的控制，从而改变充电功率。

鉴于变频器直流母线只需要不超过它的最高电压就能安全工作，在这里，我们采取固定电压法的策略来实现最高功率跟踪。超级电容的最高电压总是小于变频器的直流母线电压[6]，本文采用非隔离降压式DC/DC转换电路，将电梯馈能产生的不可控输出电压转换成可控的输出电压。其拓扑结构如图4所示。从图4中可以看出，主电路由开关管Q、二极管D、电感L和电容C等构成。

图4 非隔离降压式DC/DC转换电路拓扑图

Vin为电梯变频器直流母线电压，输出负载为超级电容，输出电压Vo为最大超级电容充电电压。直流母线电压Vin受电梯运行工况的不同而不同，系统设定690 V为其最大功率跟踪电压。

电梯馈能运行时会导致直流母线电压升高，当系统检测到直流母线电压达到690 V时，降压电路工作，为超级电容充电，充电电流为I0。当电梯馈能大于充电功率时，会导致直流母线电压继续升高，检测到Vin高于690 V时，系统逐步增加充电电流I0，直到充电功率与电梯馈能基本相同，将Vin维持在690 V。这样做，既能最大程度地利用电梯馈能，又能保证电梯运行的可靠度。

表1 1号电梯实验数据

3 实验结果

项目组按照上述方案实际做了2套电梯节能控制器，分别装在某小区的2台电梯上，小区为11层高。基于安全考虑，实验采取空载运行，从1楼运行到顶楼，再从顶楼运行到1楼，5次为1组，实测数据如表1和表2所示。分析数据可知，加入节能装置后，1号电梯节电率达到24%，2号电梯节电率达到32%，测试结果达到了预期目标。因为2部电梯的拽引机和控制器不同，致使2部电梯的节电率不一致。2部装置做完实验后都投入了实际运行，运行3个月，平均节电率为17.5%.