王婧怡，翁紹捷，張國(guó)健

(1. 海南大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，海南 海口 570228；2. 海南省鍋爐壓力容器與特種設(shè)備所，海南 海口 570102)

1 引言

在現(xiàn)代樓宇建筑中，由電梯產(chǎn)生的能量損耗約占樓宇全部能耗的5%～15%[1]，是重要的能耗單元。在電梯制動(dòng)的過(guò)程中，會(huì)因?yàn)樽龉Ξa(chǎn)生額外的能量，目前電梯系統(tǒng)幾乎都采用電阻對(duì)制動(dòng)能量采取吸收，這種方式具有較高的安全性與可靠性，但是，也對(duì)制動(dòng)能量形成了浪費(fèi)。如果能夠?qū)﹄娞葜苿?dòng)能量進(jìn)行有效的控制管理，就能夠?qū)崿F(xiàn)整個(gè)電梯系統(tǒng)的能效提升[2]。關(guān)于電梯制動(dòng)能量問(wèn)題的研究，當(dāng)前基本分為兩種思路。其一是將制動(dòng)能量回饋電網(wǎng)，其二是將制動(dòng)能量回收存儲(chǔ)。因?yàn)閷?duì)并網(wǎng)的電能質(zhì)量有嚴(yán)格要求，質(zhì)量較差的制動(dòng)電能要想滿足條件較為困難，所以大部分研究人員傾向于第二種思路。在電梯運(yùn)行過(guò)程中，需要快速頻繁的進(jìn)行能量吸收與釋放，因?yàn)槌?jí)電容充放電特性[3-4]優(yōu)于電池，所以通常將超級(jí)電容應(yīng)用于第二種解決思路中。文獻(xiàn)[5]～[8]均將超級(jí)電容引入電梯節(jié)能控制中，利用超級(jí)電容充放電的線性特征，在一定程度上實(shí)現(xiàn)了高功率場(chǎng)景中的電梯能量回收，降低了能量損耗，但是都沒(méi)有考慮到電壓波動(dòng)[9]和充放電之間的關(guān)系，此外，也沒(méi)有考慮到與DC-DC模塊的系統(tǒng)協(xié)同問(wèn)題。于是，本文提出了一種儲(chǔ)能回饋型電梯能量控制方案，利用超級(jí)電容的儲(chǔ)能特性實(shí)現(xiàn)電梯系統(tǒng)的電能吸收與回饋，用于功率補(bǔ)償和應(yīng)急電源，在設(shè)計(jì)的超級(jí)電容與雙向DC-DC儲(chǔ)能電路拓?fù)渲?，考慮了充放電效率、和其它模塊的匹配性，以及紋波抑制問(wèn)題。最后基于電路拓?fù)?，設(shè)計(jì)了交替控制策略，從而得到最佳效率，實(shí)現(xiàn)對(duì)電梯制動(dòng)能量回饋損耗的最優(yōu)控制。

2 SC驅(qū)動(dòng)的儲(chǔ)能回饋電梯系統(tǒng)模型

本文利用SC設(shè)計(jì)了一種儲(chǔ)能回饋型電梯系統(tǒng)控制方案，對(duì)電梯系統(tǒng)的回饋電能進(jìn)行回收，將產(chǎn)生的電能回饋至DC母線上，向SC模塊進(jìn)行充電。在SC模塊充電到達(dá)給定閾值，瞬時(shí)控制DC-DC工作方向，通過(guò)變頻器接通放電電路控制儲(chǔ)能量。在功耗需要增加的情況下，SC模塊會(huì)由充電模式轉(zhuǎn)為放電模式，電能被釋放回DC母線上，對(duì)功率采取補(bǔ)償。另外，在發(fā)生斷電的情況下，SC模塊通過(guò)放電能夠提供電梯的臨時(shí)用電需求，保證電梯系統(tǒng)的安全工作。本文設(shè)計(jì)的SC驅(qū)動(dòng)儲(chǔ)能回饋電梯系統(tǒng)模型如圖1所示。

圖1 SC驅(qū)動(dòng)儲(chǔ)能回饋電梯系統(tǒng)模型

系統(tǒng)模型主要包括SC模塊、SC控制模塊、DC-DC模塊、制動(dòng)電阻模塊、AC-DC模塊、DC-AC變頻器模塊，以及曳引機(jī)。其中，作為能量回饋的核心部件是SC與DC-DC，通過(guò)并聯(lián)接入DC母線上。在電梯制動(dòng)過(guò)程中，會(huì)形成再生電能，SC模塊利用充電過(guò)程將其回收，在SC模塊充電結(jié)束，利用制動(dòng)電阻模塊對(duì)再生電能進(jìn)行消耗，考慮到系統(tǒng)的安全性，控制變頻器接通保證SC充放電均衡。

3 存儲(chǔ)負(fù)載均衡分配算法

3.1 SC模塊設(shè)計(jì)約束

在保證SC模塊具有良好的充放電效率的同時(shí)，還需要確保和DC-DC模塊的協(xié)同，于是對(duì)SC模塊的充放電閾值做如下約束

(1)

其中，vmax表示充電電壓閾值；vmin表示放電電壓閾值；Vdc表示DC母線電壓；d表示深度。為符合電梯各種運(yùn)行狀態(tài)時(shí)能量的回收與補(bǔ)償要求，對(duì)SC模塊的容量Csc約束描述為

(2)

其中，η1表示儲(chǔ)能部件的效率；c表示其余部件的能量損耗因數(shù)；E表示由運(yùn)行所產(chǎn)生的電能。當(dāng)發(fā)生斷電時(shí)，SC模塊應(yīng)該具有臨時(shí)應(yīng)急性能，依靠SC模塊的儲(chǔ)能完成曳引機(jī)等單元的工作需求，于是，對(duì)SC模塊的功率Psc約束描述如下

Psc=VminIsc≥P

(3)

其中，Isc表示SC模塊的輸出電流；P表示維持耗能部件正常運(yùn)行所需的功率。

3.2 SC與DC-DC儲(chǔ)能系統(tǒng)設(shè)計(jì)

圖2描述了基于SC與DC-DC的儲(chǔ)能電路拓?fù)湓O(shè)計(jì)，該電路有效抑制了SC模塊充放電之間的耦合程度。電路由多相交錯(cuò)升降壓雙向DC-DC并聯(lián)，一側(cè)接在DC電容Cdc1兩端，另一側(cè)接在超級(jí)電容Csc1兩端，DC-DC分為上下兩個(gè)橋臂，主要器件包含開(kāi)關(guān)管、續(xù)流二極管和電感。整個(gè)系統(tǒng)包含若干組儲(chǔ)能電路，它們之間根據(jù)占空比的調(diào)整達(dá)到電壓均衡狀態(tài)。這里針對(duì)一組儲(chǔ)能電路進(jìn)行分析，在SC模塊充電過(guò)程中，DC-DC將工作于Buck狀態(tài)。此時(shí)，DC-DC的工作電路由T11～T1(2h-1)，D12～D1(2h)，和L11～L1h構(gòu)成。在SC模塊放電過(guò)程中，DC-DC將工作于Boost狀態(tài)。此時(shí)，DC-DC的工作電路由T12～T1(2h)，D11～D1(2h-1)，和L11～L1h構(gòu)成。

圖2 基于SC與DC-DC的儲(chǔ)能電路拓?fù)?/p>

兩種工作狀態(tài)下，電能的方向在SC模塊與DC之間發(fā)生變化，考慮到狀態(tài)切換形成的電流紋波，將占空比延遲T/h。這里的T代表開(kāi)關(guān)周期，h代表相數(shù)。于是，SC模塊端的紋波大小表示如下

(4)

其中，ΔiL1i表示電感中電流紋波；D表示開(kāi)關(guān)管占空比，且D和h具有如下約束關(guān)系：

j/h≤D≤(1+j)h

(5)

也就是Δisc實(shí)際上是由h相的電感電流疊加而成[10]，利用歸一化處理，將SC模塊端的紋波表示為

(6)

結(jié)合歸一化與約束分析，在相數(shù)h增加的過(guò)程中，占空比將越來(lái)越小，紋波會(huì)呈現(xiàn)越來(lái)越好的抵消現(xiàn)象。

4 電梯制動(dòng)能量回饋損耗控制

對(duì)電梯制動(dòng)時(shí)SC模塊的能量回饋損耗進(jìn)行分析，圖3描述了SC模塊的暫態(tài)等效模型。當(dāng)SC模塊工作于能量回饋模式，將在等效電阻Resr上形成損耗，另外，還存在一小部分的漏電流將在Repr上形成損耗，SC模塊的能量回饋損耗主要來(lái)自于Resr和Repr。對(duì)于SC模塊而言，雖然流經(jīng)Resr的電流較大，但是其阻值很小，所以損耗并不大；Repr的阻值雖然較大，但是流經(jīng)其中的電流很小，所以其損耗也不大。通過(guò)對(duì)等效模型的分析，SC模塊的等效電壓與等效電流分別表示如下

圖3 SC模塊等效模型

(7)

(8)

其中，Pdc代表SC模塊提供給DC母線的功率。

利用等效電壓Vsc與等效電流Isc，計(jì)算SC模塊的瞬時(shí)效率，考慮到SC模塊電壓近似于DC母線電壓，且Repr的阻值遠(yuǎn)大于Resr，因此，整理后瞬時(shí)效率表示為

(9)

根據(jù)SC瞬時(shí)效率計(jì)算可知，要獲得較高的效率就應(yīng)該使其工作于較小的功率狀態(tài)下。但是對(duì)于DC-DC則正好相反，針對(duì)這種互斥情況，依據(jù)變頻器功率變化，令SC與DC-DC進(jìn)行交替工作。從而保證SC和DC-DC大多數(shù)時(shí)間都能工作于各自效率最佳的情況下。為此，將功率區(qū)間分為高、中、低三個(gè)階段。將SC的功率記做Psc，DC-DC的功率記做Pdc-dc，變頻器的功率記做Pinv，同時(shí)，將SC與DC-DC效率一致時(shí)的功率記做Peq，當(dāng)變頻器工作于高功率階段，也就是Pinv>2Peq條件成立，此時(shí)，SC和DC-DC均參與工作，且SC保持Peq穩(wěn)態(tài)，對(duì)應(yīng)的功率描述如下

Psc=Peq

(10)

Pdc-dc=Pinv-Peq

(11)

當(dāng)變頻器工作于中功率階段，也就是Pinv>2Peq條件成立，此時(shí)，也保持SC和DC-DC均參與工作，DC-DC保持Pme穩(wěn)態(tài)，Pme略高于Peq，且小于Pinv。于是該階段的功率描述如下

Psc=Pinv-Pme≈Pinv-Peq

(12)

Pdc-dc=Pme≈Peq

(13)

當(dāng)變頻器工作于低功率階段，也就是Pinv

Psc=Pinv

(14)

Pdc-dc=0

(15)

經(jīng)過(guò)分段交替控制后，有利于DC-DC對(duì)SC電壓的控制，提高了SC和DC-DC的效率，降低系統(tǒng)中的能量損耗，從而在電梯制動(dòng)過(guò)程中獲得更多的回饋能量。

5 仿真研究

為了驗(yàn)證超級(jí)電容驅(qū)動(dòng)的電梯制動(dòng)能量回饋損耗控制性能，這里基于Matlab中Simulink模塊構(gòu)建仿真模型。其中參數(shù)設(shè)定如表1所示。

表1 模型參數(shù)設(shè)置

仿真電梯從勻速運(yùn)行到開(kāi)始制動(dòng)，直至電梯停止的整個(gè)過(guò)程，得到該過(guò)程中電梯速度、超級(jí)電容電壓，以及超級(jí)電容對(duì)應(yīng)的功率變化曲線，結(jié)果如圖4～6所示。

圖4 電梯速度曲線

圖5 超級(jí)電容電壓曲線

圖6 SC模塊功率曲線

根據(jù)電梯速度曲線，電梯在前4s處于勻速移動(dòng)，當(dāng)要到達(dá)指定樓層時(shí)開(kāi)始減速，采取小速度對(duì)齊梯門，直到停止，利用這個(gè)過(guò)程有利于功率的平緩過(guò)度。根據(jù)超級(jí)電容電壓變化曲線可以看出，在電梯勻速移動(dòng)時(shí)，對(duì)超級(jí)電容進(jìn)行充電，電梯制動(dòng)減速的瞬間，超級(jí)電容電壓出現(xiàn)瞬時(shí)的波動(dòng)尖峰，隨后由于放電電路與變頻器介入，電壓快速趨于穩(wěn)定，電壓曲線表明超級(jí)電容的控制策略是準(zhǔn)確的。根據(jù)模塊的功率曲線分析，在電梯勻速運(yùn)行的時(shí)候，由于功率提供主要來(lái)自于電網(wǎng)，所以此階段一直對(duì)超級(jí)電容進(jìn)行功率饋能，同時(shí)避免發(fā)生功率振蕩。在制動(dòng)過(guò)程中，超級(jí)電容饋能功率瞬間增加，達(dá)到充電飽和狀態(tài)，開(kāi)始對(duì)系統(tǒng)功率消耗進(jìn)行補(bǔ)償，泄放剩余回饋能耗。通過(guò)整個(gè)過(guò)程中超級(jí)電容的電壓與功率曲線結(jié)果，證明超級(jí)電容在電梯制動(dòng)過(guò)程中具有準(zhǔn)確的驅(qū)動(dòng)控制和能量管理。

為了充分驗(yàn)證超級(jí)電容在電梯制動(dòng)時(shí)對(duì)能量回饋損耗的有效控制，通過(guò)仿真模擬得到雙向DC-DC模塊工作于Buck和Boost兩種狀態(tài)時(shí)，DC母線電壓和超級(jí)電容電壓的變化情況，波形如圖7和圖8所示。當(dāng)DC母線電壓超過(guò)550V，DC-DC模塊的上半橋?qū)?，進(jìn)入Buck工作模式，從波形可以看出，T11～T1(2h-1)管子開(kāi)通，對(duì)超級(jí)電容進(jìn)行充電。在DC母線電壓低于550V，或者超級(jí)電容的電壓超過(guò)380V，退出Buck模式。當(dāng)DC母線電壓低于520V后，DC-DC模塊的下半橋?qū)?，進(jìn)入Boost工作模式，從波形可以看出，T12～T1(2h)管子開(kāi)通，超級(jí)電容進(jìn)行放電，從而給DC母線作為能量補(bǔ)充，為其穩(wěn)壓。

圖7 Buck電路波形

圖8 Boost電路波形

6 結(jié)束語(yǔ)

本文針對(duì)電梯制動(dòng)過(guò)程與超級(jí)電容特性，提出了一種儲(chǔ)能回饋型電梯能量控制方案，利用超級(jí)電容的充放電對(duì)電梯系統(tǒng)的回饋電能進(jìn)行回收，將產(chǎn)生的電能回饋至母線上，對(duì)功率采取補(bǔ)償?？紤]到充放電效率，以及和DC-DC模塊的協(xié)同，控制方案首先對(duì)系統(tǒng)中超級(jí)電容模塊的充放電閾值、容量、功率做了約束條件設(shè)計(jì)。然后設(shè)計(jì)了基于SC與DC-DC的儲(chǔ)能電路拓?fù)洌鶕?jù)占空比的調(diào)整可以抑制電流紋波。最后在拓?fù)浠A(chǔ)上，設(shè)計(jì)了電梯制動(dòng)能量回饋損耗控制策略。通過(guò)Simulink建立仿真模型，驗(yàn)證了超級(jí)電容在電梯制動(dòng)過(guò)程中能夠準(zhǔn)確及時(shí)的對(duì)電梯制動(dòng)能量進(jìn)行回收，并將回收的能量及時(shí)準(zhǔn)確的補(bǔ)充給母線，提高電梯系統(tǒng)能效，同時(shí)還能夠很好的避免發(fā)生功率振蕩。