电梯储能系统的设计与研究

2024-02-03姚可维

机电产品开发与创新 2024年1期

姚可维

（广东省特种设备检测研究院，广东广州 510655）

0 引言

电梯节能在提高建筑能效方面的重要性越来越受到重视。然而，对节能的全面研究仍在进行中。最近，通过能量回收实现节能的电梯系统备受关注，其中最具吸引力的解决方案是连接到电梯驱动器直流链路的储能系统，其中回收存储的能量，可用于降低峰值负载或为其他设备供电。本文提出了一种用于电梯应用的基于超级电容器的储能系统，该系统由一个六相交错式直流变压器和一个超级电容器组组成。根据某现有电梯的参数，建立了仿真模型，比较了一个运行周期内带有和不带有该电梯储能系统的能耗，验证了本电梯储能系统的良好节能效果。

1 电梯系统建模与验证

为了测试电梯储能系统，首先对电梯系统建模。该储能系统由变频驱动器、电机和机械系统组成。电梯系统的仿真模型如图1 所示。

图1 PLECS 中的电梯系统仿真模型

1.1 机械系统

电梯机械系统是根据某在用的电梯数据建模的。悬挂比为2∶1，对重质量为额定载重的50%加上空车质量。假设悬索的质量、随行电缆的质量和补偿绳的质量以及它们的动力学可以忽略不计。

电机控制电梯的机械系统。电机的扭矩计算如下：

式中：Tm—电机的转矩；Ftot—牵引绳轮上的总力；R—牵引绳轮的半径；Jtot；总转动惯量；ω—机轴角速度；D—机械系统阻尼系数。

总力Ftot取决于一侧载有任何乘客的轿厢与另一侧载有配重的轿厢之间的重量差。所有机械系统损失均由根据机械系统在标称负载下的效率估算的阻尼系数D来计算。仿真模型的输入信号是负载质量（m1）和电机的速度（ω），输出信号为电机转矩（Tm）。

1.2 变频器型号

在PLECS 中建模的变频驱动器示意图如图2 所示。它由三相二极管整流器、带有电容器C4 和电感器L1 和L2的直流链路以及逆变器组成。电阻器R 作为电容器C4 的预充电电阻器。由于三相二极管整流器在发电制动时不能将能量回馈给电网，所以该能量在连接到端子B+和B-的制动电阻上耗散。晶体管T7 控制制动电阻的散热。电梯储能系统（EESS）连接到+UDC 和-UDC 终端，如图2 所示。

图2 电梯变频驱动器示意图

变频驱动器由线路电压为400V/50Hz 的三相系统供电。因此，直流总线的预期标称电压为565V，但可能在500V 和800V 之间变化（取决于负载和电源条件），因为这是商用变频驱动器的典型工作电压。

2 储能系统

本文提出的基于超级电容器（SC）的电梯储能系统（EESS）由一个超级电容器（SC）组和一个六相交错式双向直流变压器组成。电梯储能系统的原理图如图3 所示。电梯储能系统连接到变频驱动器的直流总线，能量通过双向直流变压器从电梯传输到超级电容器组，反之亦然。超级电容器组用作能量存储。

图3 基于超级电容器（SC）的电梯储能系统（EESS）示意图

电梯储能系统专为标称功率为10kW 的电梯驱动器而设计。通过六相交错式直流变压器，以实现所需的最大输出电流纹波，减小电感器体积并降低直流变压器损耗。电梯储能系统仿真模型由直流变压器、超级电容器组和电梯储能系统控制算法组成。

2.1 超级电容器组

超级电容器组的标称电压通常在100V 至300V 的范围内[2]。考虑到变频驱动器直流总线的标称工作电压为565V，直流变压器的非隔离拓扑最适合4∶1 或更小的变压比，超级电容器组的标称电压为300V。超级电容器组的工作电压范围通常选择在Un/2 到Un的范围内，其中Un是标称电压。这样，超级电容器中存储的总能量的75% 就被使用了。因此，为超级电容器组选择的工作电压范围介于直流150V 和300V 之间。

由于超级电容器电池的典型标称电压在1.2V 至3.5V的范围内，因此必须串联多个超级电容器电池以形成超级电容器组。每个超级电容器单元的电容容差可以在标称值的±20%之间变化，这可能导致串联连接的超级电容器单元上的电压分布不均匀，并且超级电容器单元上的电压高于预期电压。高于标称电压会导致更高的漏电流、增加气体和超级电容器电池的整体破坏。为了解决超级电容器上电压分布不均匀的问题，使用平衡电路。考虑到整体模型的复杂性和超级电容器平衡电路的复杂性，采用具有相同特性的超级电容器电芯对超级电容器组进行建模。它们的串联表示可以建模为具有更高标称电压的超级电容器。

超级电容器组中存储的可进一步使用的能量可按下式计算：

式中：Un—充电超级电容器组的标称电压；C—超级电容器组的电容。经计算，超级电容器组所需的最小电容为5.1F。

本文超级电容器组选择的标称电压为300V，需要120 个标称电压为2.7V 的超级电容器电池，每个电池的最大充电电压为2.5V。电池所需的最小电容可以计算如下：

式中：N—串联连接的超级电容器单元的数量；CSC_bank—超级电容器组所需的最小电容。对于本文所提出的电梯，每个电容的最小值应为612F。假设超级电容器组由400F电容并联组成，以达到800F 的等效电容。当120 个800F超级电容器串联时，超级电容器组的标称电容为6.7F，比计算的超级电容器组的电容最小值大31%。

对于超级电容器组建模，假设超级电容器组由240个400F/2.7V 并联和串联的电容组成。 400F 超级电容的等效串联电阻约为3mΩ，假设两个超级电容并联时，等效串联电阻为1.5mΩ。 120 对超级电容串联时，等效串联电阻为180mΩ。

2.2 直流变压器

对于电梯储能系统中使用的双向直流变压器，存在三种常见拓扑结构：基本降压/升压、交错式降压/升压和双有源桥式（DAB）[4]。本文选择的拓扑结构是六相交错式直流变压器。使用交错式直流变压器，可以实现晶体管无开通损耗，总电感体积小于基本降压/升压拓扑结构中的电感体积。通过减小直流变压器的体积，电梯储能系统可以更加紧凑并适合更紧凑的空间。六相交错式直流变压器的原理图如图4 所示。它由六个相组成，其中每个相由一个半桥和一个电感器构成。

图4 六相交错式降压/升压直流变压器示意图

对于直流变压器的设计，必须指定工作电压和电流。正在研究的电梯储能系统的直流变压器的工作电压由电梯变频器的直流母线电压（500～800V）和超级电容器组工作电压（150～300V）决定。电流值由直流变压器所需的峰值功率决定。如果要在整个工作电压范围内保持超级电容器的恒定功率，则电流必须随电压变化。因此，电梯储能系统中使用的直流变压器的峰值输出功率设置为电梯标称功率的80%左右。在这种情况下，这对应于8kW 的峰值功率。超级电容器的最大电压为300V，这导致超级电容器组电流约为27A。

在仿真模型中，晶体管被建模为理想状态，但晶体管导通和开关损耗是用连接到直流总线的可变电流源建模的。考虑到所有建模损耗，直流变压器在最大功率和600V直流总线上的效率约为95%。

交错式直流变压器的控制是通过控制每个相的PWM 信号之间的相移实现的，相移为2π/N，其中N 是相数。在这种情况下，相移为π/3。 PI 控制器用于通过控制每相PWM 信号的占空比来控制超级电容器电流。每种模式（降压和升压）都有自己的PI 控制器来控制超级电容器组的充电和放电电流。在降压模式下，T2n晶体管（n 在1 到6 的范围内）关闭，而T2n-1晶体管由PWM 控制。在升压模式下，情况正好相反：T2n-1晶体管关闭，而T2n晶体管由PWM 控制。在每种模式（即降压和升压）中，都会测量超级电容器组电流，并据此确定PWM 的占空比。为了控制每个相位，交错式变压器的每个相位都有自己的PWM发生器，该发生器具有相移。由于直流变压器必须能够在各种模式之间切换，因此PI 控制器具有在每个模式下重置控制器积分功能的功能。

3 仿真结果

带有电梯储能系统的电梯系统仿真模型如图5 所示。

图5 带有电梯储能系统的电梯系统仿真模型

参考周期包括从底层到顶层和从顶层到底层运行空载电梯。当对重质量等于轿厢质量和50%对重质量之和时，参考周期代表电梯运行时尽可能高的再生能源生产（当电梯从底层运行到顶层时）和尽可能高的能源消耗（当电梯从顶层运行到底层时）。因此，在参考周期期间可以实现高节能。

参考周期期间的速度设定点和负载曲线如图6（a）所示。电梯首先以再生模式运行，将能量存储在超级电容器组中，然后以电机模式运行，能量用于电机运行。假设超级电容器组的初始电压为200V。电梯储能系统中直流母线的参考电压设置为600V。结果如图6 所示，将带有电梯储能系统的电梯系统与不带有电梯储能系统的电梯系统进行了能源消耗的比较。