用于能源智能电梯的低压存储

对当前和未来超级电容器和电池技术的研究表明，任何中小型电梯制造商都可以通过少量投资提供高端解决方案。

作者：Estanis Oyarbide 博士、Luis Jiménez、Pilar Molina Gaudó 博士、Logan López、Rubén Gálvez 和 Carlos Bernal Ruiz 博士

电梯行业正在寻找新的能源管理解决方案。 此类示例包括基于超级电容器本地存储的能量回收系统、用于峰值功率缓解和改进的不间断电源 (UPS) 运行的电池供电电梯、太阳能和/或风能电梯等。 大多数这些新概念都包括能量存储系统，因此它们需要电池和/或超级电容器，具体取决于要存储的能量和功率循环曲线。 事实上，电池和超级电容器都是低压技术，而电梯牵引系统基于众所周知的三相工业交流驱动器，其直流母线在大约 600 V（或在某些国家/地区为 400 V）的高压水平下运行. 一种可能的解决方案是将许多基本电池串联，直到达到工业电压水平。 这种方案虽然看似简单，但并不实用，因为价格昂贵，而且安全可靠性问题成倍增加。 因此，用于电梯应用的实用储能系统应在 48 V 左右运行，这是一个安全、商业标准且具有成本效益的电压水平。

如果必须将 48 V 能源集成到电梯牵引系统中，则需要进行一些修改。 有两种可能的选择。 首先，（双向）DC/DC 转换器可用于将 48 V 低压与 600 V 的传统电梯牵引系统互连。其次，整个牵引系统可以重新设计以在 48 V 下运行。本文展示了 XNUMX V 的技术挑战将低压储能系统集成到电梯牵引系统中。 分析了与效率、成本、生产所需零件的可用性、使用灵活性等相关的问题。 这样，就可以在每种情况下确定关键挑战和最合适的解决方案。

储能应用

小型 UPS 系统在大多数安装中非常常见。 UPS 通常保持控制处于活动状态，而电梯则以最有利的方向移动到下一站。 它们被广泛使用，但仍然对电池组的健康状况 (SoH) 构成挑战。 但是，这些还不足以为新的或现有的电梯添加能源智能功能。 近来，客户一直在要求能够扭转局部储能能力的产品，电梯制造商正在提供解决方案。 [1-4] 标准储能装置主要基于化学电池，因此带有电力牵引系统的电梯是一种最适合这种类型的适应。 超级电容器技术相对较新，但其在循环次数和功率密度方面的优势使其非常适合需要多次大功率充电和放电循环的应用。[6-10] 以下是一些电池和超级电容器的应用示例。

扩展 UPS 操作

一些客户要求即使在长期停电的情况下也能保持电梯的运行。 在其他解决方案中，一种简单的方法是将电池模块连接到逆变器的直流总线（图 1-a）。 典型的工作电压在 600 V 左右，因此必须串联许多电池，这导致储能能力过大。 此外，必须包括特殊的安全和电池管理电路，这是一种实用但昂贵的解决方案。 同样，由于电池的快速老化，增加了运营成本。 另一种解决方案是通过 DC/DC 转换器将一组低压电池与高压直流总线互连（图 1-b）。

峰值功率缓解

电梯的电力消耗的特点是在加速或减速期间出现高功率峰值循环，并且（通常）在稳定行驶期间是峰值功率的一半。 峰值功率决定了连接到电网的安装和运行成本。 峰值可能比平均功率高一个数量级。 这一事实对于住宅电梯尤为重要，因为电梯运行次数少，所需能量的总量非常低。 如果电梯由一组以非常低的峰值功率从电网永久充电的电池供电，则可以降低安装和运营成本（图 2-a）。 该系统的其他好处是扩展 UPS 功能和降低线路扰动。 该系统可以辅以基于超级电容器的存储系统，从而最大限度地减少对电池的高功率需求，从而延长其预期寿命。

太阳能和/或风能电梯

与能源效率和收集相关的新趋势促使多家制造商提供由太阳能和/或风能供电的系统。 电池通常用于存储产生的能量并为电梯提供所需的电力。 太阳能和风能都通过电力电子设备连接，因此可以使用 48 V 的标准低压电池模块（图 2-b）。 如果必须使用标准电梯逆变器，则需要使用 DC/DC 电源转换器将低压电池存储系统连接到逆变器处的高压 (600-V) 直流总线。 如果太阳能和/或风能资源不足以保持电梯正常运行，则可以添加备用低功率电网连接。

能量恢复 系统 (ERS)

配备无齿轮牵引系统、高客流量和良好机械效率（约 80%）的电梯可再生大量能量，这些能量目前要么在制动电阻器上丢失，要么传输回电网。 得益于基于超级电容器的储能系统（图 3），可以在制动阶段存储这些能量，并在要求苛刻的牵引阶段重复使用。

图 4-a 显示了这种 ERS ​​系统的商用 [1] 解决方案。 图 4-b 描绘了有和没有系统的瞬时功耗的实际测量值。 之间的区域是一次旅行节省的能量。 超级电容器模块嵌入系统中，只需两根电线连接到任何新的或现有的变压变频 (VVVF) 驱动器。 据报道，在实际安装中，总体节省高达 62%。

前面列出的应用需要不同的能量和额定功率，但它们的存储电压水平和一些组件是通用的。

电能储存技术

在可能的电能积累系统中，只有两种技术可以提供成熟的商业产品：电池和超级电容器。 两者都已经大规模生产多年，因此它们的性能、成本和可靠性都得到了优化和标准化。 电池是通过化学反应工作的电化学装置。 因此，很难准确了解它们的内部操作状态。 电池是一种复杂的设备，其行为主要由经验模型表征。 它的充电过程不同于它的放电过程，它的荷电状态(SoC)和SoH很难识别。 而且，其老化过程取决于充放电循环的深度、电流、温度等参数。

目前市场上有两种主要的电池技术：铅酸电池和锂离子电池。 在过去的几年中，一种特殊类型的锂电池，磷酸铁锂（LiFePO₄) 电池，已推出。 它具有锂离子电池的有趣特性，完全替代铅酸电池的前景广阔。 图 5 显示了这些技术的主要功率/能源特性，表 1 总结了主要特性。 表 1 的数据是近似值，仅用于比较目的。 就功能特性而言，很容易将锂离子确定为最佳选择：它提供最佳的比能量和功率数据以及最长的使用寿命。 但是，它需要包含电池管理系统（BMS），其成本比铅酸技术的成本高出三到五倍。

考虑到成本、易用性和多年成功安装的习惯，铅酸技术是非便携式储能设备的首选。

与电池相反，超级电容器技术基于纯电容现象。 因此，基于超级电容器的存储单元允许高充电和放电功率。 其充电状态直接由众所周知的公式 1 确定，并且可承受多达 5 万次充电/放电循环（图 1 和表 2.7）。 主要缺点是其低能量密度和非常低的标称电压（约 XNUMX V），这导致许多电池串联并包含电压管理系统 (VMS)。

可以得出结论，UPS 功能需要大量能量，这意味着必须安装铅酸电池。 但是，在未来，随着锂成本的下降，情况可能会发生变化。 由于多次循环，超级电容器将成为 ERS ​​应用的选择，因此完全无需维护和更换。 混合技术可能需要额外的电子设备才能真正兼容。

在电梯牵引系统中集成 48V 电源

图 1-3 中描绘的“标准电机驱动”块代表了电梯驱动中使用的常见拓扑。 当必须交换给定的电力时，必须选择电流/电压对：

考虑到电流是造成大部分功率损耗的原因，因此首选高电压/低电流参数集。 因此，工业界一直在采用与要交换的功率相关的标准电压电平。 当处理从几千瓦到几十千瓦的功率时，三相 400-V RMS 是配电标准。

电动电梯牵引系统是知名工业驱动器的改进版本，由 400-V RMS 三相电网供电。 整流后得到500-600VDC母线。 这种标准驱动技术已经在工业中使用了 30 多年，因此非常坚固； 可靠的; 并且，由于制造规模大，具有成本效益。

当 48V 或更低电压的能源供应电梯的部分或全部能源需求时，就会出现问题。 有两种可能的情况。 第一种方法是简单地重新设计整个牵引系统并构建一个 48-VDC 兼容的驱动器。 第二种选择包括尝试通过 DC/DC 电源转换器连接 48 V 能源和 600 V 总线来保持已经开发和众所周知的电梯驱动器。 这两种情况的解释如下。

在 48V 下重新设计整个牵引系统

在未连接三相 400-V RMS 线路的应用中（图 2），无需保持高压直流总线电平，因此可以考虑使用 48-VDC 总线构建整个牵引系统（图 6）。 该直流母线电压将逆变器输出端的可用线电压限制为 34V RMS，电流乘以 10 倍或更多倍。 因此，必须仔细设计和安装新的电机和逆变器。

新的电压电平会导致高电流，因此，为了避免高功率损耗和笨重的电线，存储设备、驱动器和电机必须彼此靠近，这有时会变得很困难。 这种方法的主要缺点是卖方和/或安装人员必须为相同范围的电梯提供和掌握两种不同的牵引系统。 这是 Otis 在其 Gen2® Switch 中采用的方法。[2]

在标准电梯牵引系统中集成 48V 电源

图 48-b、1-a、2-b 和 2 的情况是在标准电梯牵引系统中集成 3 V 电源，其中 DC/DC 转换器负责来自低压的能量交换存储系统到高压直流母线。 首先，需要指出的是，无论是低压电平（不是高压侧）都不是在恒定电压下运行的。 电池或超级电容器可安装在低压侧。 如果考虑 48V 电池模块，其电压可以从 42V 演变为 53V，具体取决于 SoC。 如果考虑超级电容器，情况会更加多变：它的电压可以从 24 V 变化到 48 V，这也取决于 SoC。

高压侧的情况也好不到哪里去。 如果驱动器正在运行，则从直流母线移除能量，从而降低其电压。 同样，如果驱动器正在再生，能量会传送到直流母线，其电压会增加。 电压下限由 DC/DC 转换器的动态特性决定（即达到令人满意的电压调节所需的时间），而电压上限取决于相同的调节动态特性（如果双向 DC/DC 转换器使用），但也取决于制动电阻开启时的电压值。 大多数商用驱动器制造商都建立了从低 400 V 到 700 或 800 V 的无错误电压范围。

大规模制造可以实现具有成本效益的解决方案，因此希望获得一种 DC/DC 转换器，该转换器可以在广泛的范围内或几乎所有现有的商用驱动器上运行。 为此，它必须包括即插即用功能，允许系统在正常运行时不会产生任何干扰，并且无需对现有设备进行任何修改。 因此，如果必须在标准电梯牵引系统上集成低压能源，则需要具有以下功能的 DC/DC 转换器：[12]

• 额定功率：4-15 kW（取决于电梯）：直流转换器很容易并联以获得更高的功率。
• 输入电压：42-53 V 或 24-48 V
• 输出电压：400-800 V，这意味着输入与输出电压的关系很大：这个比值大于 10，在某些情况下可能会超过 20。这个比值很难实现高效率。
• 可变输入和输出电压：当输入和输出电压保持恒定时，设计优化的高效转换器变得非常简单。 但是，如果输入和/或输出电压显着变化，则很难在所有工作条件下获得高效率值。 此外，高度可变的设计条件使得难以实现设计目标。
• 高动态响应：在电梯仅通过 DC/DC 转换器（图 1-b 和 2 的拓扑结构）供电的情况下，同一转换器是唯一负责将 DC 总线电压水平保持在可接受值范围内的代理。 该直流母线受到与电机逆变器永久交换的输入/输出功率的随机干扰。 因此，实现能够拒绝这些扰动的非常快速的控制动态是至关重要的。
• 双向能量传递能力，可回收存储系统中的制动能量
• 即插即用能力：控制必须实现上述动态，而无需与现有驱动程序进行任何复杂的链接。 只需连接电源线，并且该设备必须以（几乎）自主的方式与任何商用 VVVF 驱动器一起运行。
• 所有电压范围内的高效率 (> 90%)
• 添加太阳能电池板（可能在现代化期间或之后）

到目前为止，只有一套商用 DC/DC 转换器与这些功能兼容。 [1] 一个例子可以在图 7 中看到。

可以得出结论，包含 DC/DC 电源转换器可以利用众所周知的标准驱动器获得任何所需的功能，简化销售商/安装商的产品组合并提供高度灵活性。 必须指出的是，DC/DC 电源转换器限制了电力交换能力，而不是可用能量，这仅取决于安装的电池或超级电容器。

结论

能源智能电梯需要储能。 在此之后，存储要求分为两组：长期、高能量的 UPS 类型功能和短期、低能量的 ERS ​​类型功能。 在现有的蓄积技术中，如果需要大量能量，铅酸电池是首选，而超级电容器则为高功率、低能耗、密集循环运行的应用提供最佳性能。 由于商业可用性、成本和设计要求，这些都是低电压技术，可以根据总能源需求进行扩展。

这种可扩展的系统需要由具有特定功能的高增益 DC/DC 转换器来补充，这已成为所提出架构的主要挑战。 一些电力电子制造商开始了解这种特殊转换器的需求和潜在市场，因此，他们将其作为标准产品纳入其产品组合。 因此，使用所提议的灵活架构，任何中小型电梯制造商都可以以较少的投资提供高端解决方案，快速满足市场对更高效率和可再生能源的需求。

案例

[1] Epic 电源转换器 SL （史诗般的力量）。 “用于驱动和升降机的能量回收系统和智能电源”，epicpower.es（2018 年 XNUMX 月）。
[2] 奥蒂斯。 “Otis Gen2 Switch”，www.otisworldwide.com/site/lb/pages/Gen2-Switch.aspx（2018 年 XNUMX 月）。
[3] 辛德勒。 “迅达 3300 太阳能”，www.schindler.com/content/dk/internet/da/mobile-loesninger/produkter/elevatorer/schindler-33001/_jcr_content/iTopPar/downloadlist_5530/
downloadList/54_1433939153593.download.asset.54_1433939153593/ CPH.3300_solar.ENG.pdf (2018).
[4] 国际电力系统。 “紧急疏散电梯的电力系统”，www.powersystemsinternational.com/lift-power-systems/evacuation-lift-power-systems（2018 年 XNUMX 月）。
[5] 齐尔-阿贝格。 “EVAC Evacuation Unit”，www.ziehl-abegg.com/gb/en/product-range/drive-technology/control-technology/evac-evacuation-unit（2018 年 XNUMX 月）。
[6] S. Luri, I. Etxeberria-Otadui, A. Rujas, E. Bilbao, A. González。 “用于改进电梯应用的基于超级电容器的存储系统的设计”，2010 年 IEEE 能源转换大会和博览会 (ECCE)，4534-4539（2010 年）。
[7] E. Bilbao, P. Barrade, I. Etxeberria-Otadui, A. Rufer, S. Luri, I. Gil。 “改进型带能源电梯的优化能源管理策略
基于动态规划的存储容量”，IEEE工业应用学报，第50卷，第2期，1233-1244页（2014年）。
[8] E. Oyarbide、I. Elizondo、A. Martínez-Iturbe、A. Bernal、J. Irisarri。 “用于电梯改造的基于超电容器的即插即用能量回收系统”，2011 年 IEEE 工业电子国际研讨会 (ISIE)，462-467 (2011)。
[9] P. Barrade, A. Rufer。 “一种基于超级电容器的电梯储能系统，具有软换向接口，”IEEE 工业应用汇刊，卷。 38, No. 5, 1151-1159 (2002)。
[10] N. Jabbour、C. Mademlis 和 I. Kioskeridis。 “使用双向 DC-DC 转换器提高基于超级电容器的储能控制系统的性能，用于电梯电机驱动器”，第 7 届 IET 电力电子、机器和驱动器国际会议（PEMD 2014），曼彻斯特第 1-6 页（2014 年）。
[11] E. Oyarbide、LA Jiménez、P. Molina、R. Gálvez、C. Bernal。 “电梯低压储能的挑战”，5 年第五届电梯和自动扶梯技术研讨会，英国北安普顿，2015 年。
[12] V. Pacheco、P. Molina、LA Jimenez、E. Oyarbide。 “提高电梯的能源效率”，第五届电梯和自动扶梯技术研讨会”，英国北安普顿（5 年）。
[13] Oyarbide, E., Bernal, C. Molina, P. Jiménez, LA, Gálvez, R., Martínez, A. “使用数字划分算法的单元分组对超级电容器模块的电压均衡”，电源杂志，爱思唯尔 (2016)。