电梯控制方法研究

研究了使用双向 DC/DC 转换器来控制电梯的超级电容器储能设备。

作者：施立光、姚良红、罗志群、万建如

电梯在商业高层的快速发展中得到了广泛的应用。 由于电梯能耗与空调系统能耗从整栋建筑能耗的5-15%的角度来看，应充分利用再生能源。 本文将重点介绍使用双向 DC/DC 转换器根据电梯驱动和再生制动以及能量反馈特性来控制超级电容器储能装置。

近年来，我国电梯数量不断增加，我国电梯产量位居世界前列。 电梯可以通过使用不同的驱动器来节省大量能源，特别是因为超级电容器储能技术由于可再生能源的共同优势而得到了长足的发展。 电梯的逆变器在电梯轻载上行、过载下行或再生制动过程中将电压从交流转换为直流，从而产生存储在直流电容中的可再生能源。 然而，由于缺乏吸收高容量能量的蓄能器而产生的高泵浦电压对直流母线电容是有害的。 这可以通过传统方式安装直流母线制动电阻来解决，其中累积的功率将以热能的形式消耗。^[1]

增加能源浪费的传统控制方法不符合节能政策。 为了解决这个问题，本文提出了一种改进的方法，将直流电容中的累积功率转换为交流电流（与电网电压同频同相），并直接反馈给电网。 但其控制方法复杂，同时功率幅值变化较大，对再生能量回馈过程中电网的安全运行产生不利影响。

在这个过程中，整流器和逆变器之间连接了一个带有超级电容储能装置的双向DC/DC变换器，不仅可以有效吸收电梯反馈能量，还可以直接为电梯和辅助设备供电. 所提出的控制方法可以均衡功率并避免能量反馈对电网产生的负面影响。 此外，超级电容储能装置还可作为不间断电源，使电梯在突然断电时安全停在最近楼层附近。 该控制方法通过充放电模拟得到验证，并应用于速度为 2 和 4 mps 的样品电梯。 结果表明，配备超级电容储能装置的电梯可以节省大量能源并平稳运行。

超级电容储能装置结构与仿真分析

单个电容器的最大耐压能力很低（1-3V），不能直接接入直流母线，直流母线的电压为数百kV。 为了提高储存能量的能力和耐压能力，超级电容器可以串联和并联使用。 在充放电过程中，超级电容器的电压范围非常大； 因此，具有双向能量流的转换器连接到直流总线。 电源转换器在充电过程中工作在“Buck”模式，在放电过程中工作在“Boost”模式。 该变流器不仅可以保持直流母线电压恒定，而且大大降低了储能装置中超级电容的电压水平，因此适用于其他工况下的储能。 针对这些特点，本文采用了一种可实现电流双象限流动的非分离式双向DC/DC转换器。^[2＆3]

超级电容储能装置

在图1中，超级电容器储能装置（虚线内）由超级电容器组、应急电源（EPS）、双向DC/DC转换器和控制器组成。 该设备与变频器一起使用，其中反馈能量通过双向 DC/DC 转换器传输到超级电容器组。 储存的能量可以为带有 EPS 的辅助电梯系统供电，并通过双向 DC/DC 转换器驱动曳引机运行。

超级电容充放电控制策略

超级电容充放电过程由双向DC/DC转换器控制（图2），而充放电问题转移到控制问题。 根据转换器的工作方式，升压电路模式以电感电流为内环，直流母线电压为外环控制电路，降压电路模式则以电感电流为内环，超- 电容器电压作为外环来控制电路。

双向DC/DC转换器虽然是典型的非线性系统，但在接近稳定状态工作时，其变量与小电路扰动之间存在线性关系。 详细研究了升压和降压电路的小信号和动态模型。^[4] 然而，由于篇幅所限，这里不再进一步探讨。 

模拟与分析

超级电容容量75F，工作电压范围175-240V，等效串联电阻48欧（单个电容0.3欧），等效并联电阻10,000欧。 在双向 DC/DC 转换器电路中，电感为 0.5 mH。 变频器中的直流总线滤波器电容为 0.75 µF。

基于超级电容和直流母线电压的逻辑分析，双向DC/DC转换器在不同的工作模式下自动切换。 首先，在仿真中将初始超级电容器电压设置为 200 V； 超级电容为负载供电，直流母线电压保持在600V。1s时，直流母线电压切换为700V，超级电容充电，充电电流限制在45A。

图3-5显示超级电容在0-1秒内驱动负载运行，当直流母线电压为600 V时。2秒时，直流母线电压为700 V，超级电容电压大于175 V ，双向DC/DC转换器工作在Buck模式。

实验结果分析

实验中，直流母线电压Vdc为540 V，开关频率Ts为10 kHz，电梯机器功率为16.3 kW。 图6-8中的结果展示了空载、半载和75%负载下的直流母线电压（红色）、超级电容电压（黑色）和超级电容充放电电流波形（蓝色）。

电梯在空载上行时，处于能量回馈状态，此时直流电容电压会上升到680V（图6）。 电压逐渐升高的超级电容通过双向DC/DC转换器充电：最高电压为190V，充电电流约40A。电梯空载下行时，电梯由电压不断降低的超级电容驱动，直流母线电压550V左右。75%负载下的工作过程与空载时相同。 半载下，轿厢与配重悬挂保持平衡，无能量反馈过程。 如图 7 所示，虽然双向 DC/DC 转换器不工作，但直流母线电压保持在 550 V，超级电容器电压保持在 175 V。

结语

本文通过添加双向DC/DC转换器，有助于解决充放电超级电容器电压变化的问题。 仿真分析表明，在充电和放电过程中，转换器都可以有效地控制反馈能量。 采用超级电容储能装置，电梯驱动方式对节能效果显着； 速度更快，还可以节省更多能源。 根据对超级电容储能的研究，我们申请了两项发明专利：分离自充电电梯能量反馈装置，以及具有超级电容储能的电梯驱动器（图9和图10）。

致谢

本文得到国家科学基金和国家质量监督检验检疫总局非营利性行业专项研究资助项目的支持。

与空调系统相比，从整栋建筑的能耗（5-15%）来看，应充分利用可再生能源。 本文将重点介绍使用双向 DC/DC 转换器根据电梯驱动和再生制动以及能量反馈特性来控制超级电容器储能装置。

近年来，我国电梯数量不断增加，我国电梯产量位居世界前列。 电梯可以通过使用不同的驱动器来节省大量能源，特别是因为超级电容器储能技术由于可再生能源的共同优势而得到了长足的发展。 电梯的逆变器在电梯轻载上行、过载下行或再生制动过程中将电压从交流转换为直流，从而产生存储在直流电容中的可再生能源。 然而，由于缺乏吸收高容量能量的蓄能器而产生的高泵浦电压对直流母线电容是有害的。 这可以通过传统方式安装直流母线制动电阻来解决，其中累积的功率将以热能的形式消耗。^[1]

增加能源浪费的传统控制方法不符合节能政策。 为了解决这个问题，本文提出了一种改进的方法，将直流电容中的累积功率转换为交流电流（与电网电压同频同相），并直接反馈给电网。 但其控制方法复杂，同时功率幅值变化较大，对再生能量回馈过程中电网的安全运行产生不利影响。

在这个过程中，整流器和逆变器之间连接了一个带有超级电容储能装置的双向DC/DC变换器，不仅可以有效吸收电梯反馈能量，还可以直接为电梯和辅助设备供电. 所提出的控制方法可以均衡功率并避免能量反馈对电网产生的负面影响。 此外，超级电容储能装置还可作为不间断电源，使电梯在突然断电时安全停在最近楼层附近。 该控制方法通过充放电模拟得到验证，并应用于速度为 2 和 4 mps 的样品电梯。 结果表明，配备超级电容储能装置的电梯可以节省大量能源并平稳运行。

超级电容储能装置结构与仿真分析

单个电容器的最大耐压能力很低（1-3V），不能直接接入直流母线，直流母线的电压为数百kV。 为了提高储存能量的能力和耐压能力，超级电容器可以串联和并联使用。 在充放电过程中，超级电容器的电压范围非常大； 因此，具有双向能量流的转换器连接到直流总线。 电源转换器在充电过程中工作在“Buck”模式，在放电过程中工作在“Boost”模式。 该变流器不仅可以保持直流母线电压恒定，而且大大降低了储能装置中超级电容的电压水平，因此适用于其他工况下的储能。 针对这些特点，本文采用了一种可实现电流双象限流动的非分离式双向DC/DC转换器。^[2＆3]

超级电容储能装置

在图1中，超级电容器储能装置（虚线内）由超级电容器组、应急电源（EPS）、双向DC/DC转换器和控制器组成。 该设备与变频器一起使用，其中反馈能量通过双向 DC/DC 转换器传输到超级电容器组。 储存的能量可以为带有 EPS 的辅助电梯系统供电，并通过双向 DC/DC 转换器驱动曳引机运行。

超级电容充放电控制策略

超级电容充放电过程由双向DC/DC转换器控制（图2），而充放电问题转移到控制问题。 根据转换器的工作方式，升压电路模式以电感电流为内环，直流母线电压为外环控制电路，降压电路模式则以电感电流为内环，超- 电容器电压作为外环来控制电路。

双向DC/DC转换器虽然是典型的非线性系统，但在接近稳定状态工作时，其变量与小电路扰动之间存在线性关系。 详细研究了升压和降压电路的小信号和动态模型。^[4] 然而，由于篇幅所限，这里不再进一步探讨。 

模拟与分析

超级电容容量75F，工作电压范围175-240V，等效串联电阻48欧（单个电容0.3欧），等效并联电阻10,000欧。 在双向 DC/DC 转换器电路中，电感为 0.5 mH。 变频器中的直流总线滤波器电容为 0.75 µF。

基于超级电容和直流母线电压的逻辑分析，双向DC/DC转换器在不同的工作模式下自动切换。 首先，在仿真中将初始超级电容器电压设置为 200 V； 超级电容为负载供电，直流母线电压保持在600V。1s时，直流母线电压切换为700V，超级电容充电，充电电流限制在45A。

图3-5显示超级电容在0-1秒内驱动负载运行，当直流母线电压为600 V时。2秒时，直流母线电压为700 V，超级电容电压大于175 V ，双向DC/DC转换器工作在Buck模式。

实验结果分析

实验中，直流母线电压Vdc为540 V，开关频率Ts为10 kHz，电梯机器功率为16.3 kW。 图6-8中的结果展示了空载、半载和75%负载下的直流母线电压（红色）、超级电容电压（黑色）和超级电容充放电电流波形（蓝色）。

电梯在空载上行时，处于能量回馈状态，此时直流电容电压会上升到680V（图6）。 电压逐渐升高的超级电容通过双向DC/DC转换器充电：最高电压为190V，充电电流约40A。电梯空载下行时，电梯由电压不断降低的超级电容驱动，直流母线电压550V左右。75%负载下的工作过程与空载时相同。 半载下，轿厢与配重悬挂保持平衡，无能量反馈过程。 如图 7 所示，虽然双向 DC/DC 转换器不工作，但直流母线电压保持在 550 V，超级电容器电压保持在 175 V。

结语

本文通过添加双向DC/DC转换器，有助于解决充放电超级电容器电压变化的问题。 仿真分析表明，在充电和放电过程中，转换器都可以有效地控制反馈能量。 采用超级电容储能装置，电梯驱动方式对节能效果显着； 速度更快，还可以节省更多能源。 根据对超级电容储能的研究，我们申请了两项发明专利：分离自充电电梯能量反馈装置，以及具有超级电容储能的电梯驱动器（图9和图10）。

致谢

本文得到国家科学基金和国家质量监督检验检疫总局非营利性行业专项研究资助项目的支持。