电梯安全卫士的新型拓扑结构和控制策略

莫迪

（北京禄智科技股份有限公司北京100055）

电梯安全卫士的新型拓扑结构和控制策略

莫迪

（北京禄智科技股份有限公司北京100055）

基于电梯综合治理电压和电流质量问题的需求，提出一种新型的电梯安全卫士（Elevator Safety Guard，EFG）拓扑结构，其由背靠背H桥模块构成。串联单元用于治理电压质量问题；并联单元用于治理电流质量问题，其采用差异化设计，无功电流和谐波电流由不同的模块补偿。串联单元采用解耦控制策略，并联单元采用无差拍控制策略。仿真结果验证了所提拓扑结构和控制策略的正确性。

电梯安全卫士；背靠背H桥；差异化设计；解耦控制；无差拍控制

随着高层建筑在国内的兴起，电梯的使用变得日益广泛[1-2]。电梯使用中电压质量问题导致的电梯事故占相当的比例，其中，电压跌落是目前发生概率最高的电压质量问题[3-5]，因此抑制电压跌落，提高电能质量，保障电梯的安全可靠运行已成为当前需要重点解决的问题。在供电系统与电梯的接口处加装补偿装置，如不间断电源（UPS）或者动态电压恢复器（DVR），这是目前应用最广泛的补偿电压跌落的方法。UPS作为敏感负荷的备用电源，可有效克服电压跌落和瞬时电压中断对负荷的影响[6]。在电压跌落或瞬时电压中断发生时，控制系统立刻切断电梯和供电系统之间的联系，平稳过渡到由UPS继续供电。UPS的一个显著优点是能克服短暂的供电中断，但对于克服电压跌落来说，UPS显得过于昂贵。DVR是一种串联补偿装置，其可在毫秒级内向系统注入电网正常状态和故障状态下的电压差，使得电梯侧电压保持恒定不变[7]。DVR的容量通常取决于电梯的容量和要求的补偿范围，由于只需要补偿系统电压跌落的缺额部分，故其设计容量远小于采用UPS补偿时的设计容量。DVR因其动态性能和成本上的相对优势被认为是目前补偿电压跌落最经济、最有效的补偿装置[8-9]。同时，为保障电梯运行平顺、舒适，电梯驱动几乎无一例外的采用变频驱动。由于变频系统属于非线性、冲击性负荷，所以产生无功和谐波干扰的现象是不可避免的，因此，需安装电流补偿装置，如有源电力滤波器（APF），以免电梯产生的无功电流和谐波电流流入电网，影响供电系统的可靠性和其它负荷的正常运行[10-12]。此时，若针对每一种电能质量问题都分别采取一种类型的调节装置，这样多种装置就会同时使用，将会大大增加治理成本，还会增加装置运行维护的复杂程度，并且各装置之间还存在着协调配合问题，影响联合运行的可靠性，所以既不经济又不现实[13]。

基于以上原因，文中对电梯安全卫士（Elevator Safety Guard，ESG）的拓扑结构进行了详细分析，提出了一种新型拓扑结构，并对系统的控制策略进行了研究，最后，通过仿真对提出的拓扑结构和控制策略进行了验证。

1 电路结构与工作模式

新型ESG的拓扑结构如图1所示，主要由串联单元、并联单元、串联变压器、并联变压器和滤波器等组成，串联单元和并联单元通过直流电容耦合起来。串联单元采用H桥级联结构。并联单元采用单相多绕组变压器并联方式接入系统，在综合考虑并联单元补偿特性的基础上，无功电流由基波模块补偿，谐波电流由高频模块抑制，无功电流和谐波电流独立控制，优化了装置的整体开关损耗，从而提高了装置的整体效率和性能。并联单元处于串联单元下游，由于电压已经得到串联单元补偿，因此并联单元不会受到电压跌落等电压电能质量问题的干扰；同时，通过并联单元对无功电流和谐波电流的补偿，使流经串联单元的电流减小，一定程度上减小了串联单元的容量。

图1 新型ESG的拓扑结构

当ESG检测到电网电压发生波动时，根据电梯侧电压的要求计算出补偿电压的幅值和相位，然后通过控制串联单元产生需要补偿的电压，串联单元输出的电压由滤波器滤除高次谐波后，经过串联变压器注入电网，确保电梯侧电压恢复到正常值，从而保证电梯能正常工作；当ESG检测出电梯侧电流中含有无功或谐波成份时，通过并联单元注入与其相反的电流，从而保证电网电流为标准正弦波，抑制电梯产生畸变电流对电网的污染。如果并联单元对电梯侧无功和谐波分量实现完全补偿，保证电网电流为正弦，且功率因数为1，忽略损耗，则ESG串联单元可等效为一个可控电压源，并联单元可等效为一个可控电流源，其单相等效电路如图2所示。

2 串联单元的控制策略

串联单元的电路结构如图3所示。uia、uib、uic为变换器三相输出电压，uca、ucb、ucc为三相滤波电容电压，iga、igb、igc为电网侧电流，ila、ilb、ilc为三相滤波电感电流，L1、C1为滤波电感、滤波电容，功率开关管损耗等效为电阻R，串联变压器等效成变比为1:1的理想变压器。

图2 ESG单相等效电路图

图3 串联单元的电路结构

根据基尔霍夫电路定律，可得变换器在三相静止坐标系下的方程为[14]:

通过坐标变换将该数学模型转换至同步旋转坐标系中，状态方程为:

式中，uid、uiq为变换器输出电压在同步旋转坐标系下的投影；ucd、ucq为滤波电容电压在同步旋转坐标系下的投影；igd、igq为电网侧电流在同步旋转坐标系下的投影；ild、ilq为滤波电感电流在同步旋转坐标系下的投影。

由式（3）可知，该数学模型存在交叉耦合项，不利于系统的控制。采用PI控制的电压和电流控制器方程如下:

由上述分析可得串联单元的控制框图如图4所示。

图4 串联单元的控制框图

3 并联单元的控制策略

并联单元由基波模块和高频模块组成，由于高频模块与基波模块控制策略的区别主要在于补偿电流参考值的计算，所以本文只对基波模块的控制策略进行分析。基波模块的控制系统分为无功补偿电流参考值的计算和跟踪参考电流的控制两部分。采用基于瞬时无功功率理论的补偿量检测方法计算无功电流参考值[15]，在获得指令电流信号后，产生的电流应实时跟踪指令电流的变化。无差拍控制具有开关频率固定、动态响应快的优点[16]，因此，文中采用此控制策略。

假设并联变压器的变比为1，则基波模块的单相电路如图5所示。ug为电网电压，if为基波模块输出电流，ua和un为基波模块输出电压，uD为直流母线电压，L为滤波电感。

由电路结构写出回路电压方程为:

设采样周期为T，把式（6）离散化后，得到

由式（7）得到无差拍控制器为:

通过控制直流母线电压恒定来实现ESG装置与电网之间的功率交换，先求出电网电压的基波正序分量，然后与PI控制器的输出值相乘，得到应该从电网吸收或向电网释放的基波正序电流有功分量，此分量的大小由PI控制器自动调节。

综上所述，可得到基波模块的控制框图如图6所示。在得到无功参考信号之后，再与直流电压控制环节得到的基波正序有功电流相加，这样便得到了所需要跟踪的参考电流，经过无差拍控制器得到开关信号。

图5 基波模块的单相电路

图6 基波模块的控制框图

4 仿真结果

为了验证所提拓扑结构以及控制策略的正确性和可行性，在PSCAD环境下搭建了仿真模型，电网采用三相四线制系统，相电压为220 V，电梯功率为11 kW。

1）串联单元

电网电压发生跌落，串联单元投入运行时电网侧和电梯侧的电压波形如图7所示，uga为电网侧电压，uLa为电梯侧电压。电网电压在0.5～0.6s内，发生40%的电压跌落，串联单元在此期间输出补偿电压，使电梯侧电压基本保持不变，显示出解耦控制具有良好的鲁棒性。

图7 电网电压发生跌落，串联单元投入运行时电网侧和电梯侧的电压波形

2）并联单元

并联单元投入运行时，电网侧电压、电网侧电流和电梯侧电流的波形如图8所示。由图可以看出，系统具有良好的稳定性，补偿后电网侧电流成正弦，可见基于无差拍控制的并联单元可以有效地补偿无功和抑制谐波。

图8 并联单元投入运行时，电网侧电压、电网侧电流和电梯侧电流的波形

5 结论

文中提出了一种新型ESG电路拓扑，并联单元采用差异化设计，提高了整体效率和性能。串联单元采用解耦控制策略，并联单元采用无差拍控制策略，使系统具有良好的鲁棒性。仿真结果验证了拓扑结构和控制策略的正确性。

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Novel topology and control strategy for the Elevator Safety Guard

MO Di
（Beijing Logintel&Technology Co.，Ltd，Beijing100055，China）

This paper proposed a novel power conditioner topology as Elevator Safety Guard（ESG）to solve the voltage and current quality problems of the elevator.This topology consists of series converter and parallel converter both based on the back-to-back H-bridge modules．The series converter of the conditioner is used to solve the voltage quality problem while the parallel converter is used to solve current quality problem.Differentiation design is used for the parallel converter.The reactive current and harmonic compensation is executed in different control modules in the parallel converter.The decoupling control is applied in the series converter while the dead-beat control is used in the parallel converter.The effectiveness of the proposed topology and control strategy is validated by simulations.

Elevator Safety Guard（ESG）；back-to-back H-bridge；differentiation design；decoupling control；dead-beat control

TN389

A

1674-6236（2017）23-0178-04

2016-10-13稿件编号：201610062

莫迪（1987—），男，广东广州人，工程师。研究方向：电力电子与电能质量控制。