浅谈节能型电梯与智能电网的衔接

上海三菱电梯有限公司 徐卫玉 吴国良

0 引言

随着社会的不断进步、经济的持续发展、科技水平的逐步提高以及全球资源和环境问题的日益突出，电网发展面临着新的挑战。依靠现代的信息技术、先进的电力电子技术和智能的控制技术，积极发展智能型电网，适应未来可持续发展，已成国际电网发展的现实选择。现代大电网具有拓扑复杂的物理结构和形式多变的运行方式，使得电网的监护和协调控制难度大大增加，而可再生能源发电使整个电网的运行增加了新的不确定因素。特别是随着分布式发电和储能设备的推广应用，使许多传统意义上的负荷演变为新型的“负荷兼电源”，更增加了电网系统监护和协调控制的难度。因此在负荷中心建立微型电网模式的新型终端电网，将当地电源与负荷结合起来统一进行协调控制，就成为分布式发电并网的一种新思路。微型电网能够做到独立组网、自治运行，所有负荷可以优先由当地分布式电源分担，这使得微型电网在大电网崩溃或发生意外灾害的情况下能够维持对重要用户的供电，减轻大面积停电带来的严重后果。电梯作为中国现代都市生活的重要组成部分，已经不再仅仅是人们上下移动的工具，而是从最为基本的便捷性，延伸到环保、安全、舒适等众多与社会发展和市民生活息息相关的领域。随着人们对电梯能耗的关注越来越大，“节能+再生”已成为电梯行业发展潮流。节能型电梯的能量回馈技术有着鲜明的技术特点，探讨节能型电梯与智能电网的衔接有着深远的现实意义。

1 智能电网

智能电网并没有一个确定的概念，美国、欧洲和中国都从不同角度阐述了智能电网的内涵，并且随着研究和实践的深入对其不断细化。天津大学余贻鑫院士给出如下定义[1]：智能电网是指一个完全自动化的供电网络，其中的每一个用户和节点都得到实时监控，并保证从发电厂到用户端电器之间的每一点上的电流和信息的双向流动。智能电网通过广泛应用的分布式智能和宽带通信，以及自动控制系统的集成，能保证市场交易的实时进行和电网上各成员之间的无缝连接及实时互动。目前，国际上电网的发展可概括为两大趋势：一是统一或联合的特高压电网，中国是统一或联合的特高压电网发展趋势的主要代表；另一个是以欧洲为主要代表的分布式发电与交互式供电的分散智能电网，其电网发展模式是向交互式供电、分布式发电的分散智能电网过渡，侧重强调对环境的保护和支持可再生能源发电的发展，这是引领国际电网发展的另一大趋势。我国的智能电网是以特高压主干网为基础的，但也极其重视与分布式电源相关的关键技术的研究。分布式电源的种类很多，包括风能发电、太阳能发电、柴油发电机组、燃料电池和储能装置（如节能型电梯、超级电容器和钠硫蓄电池等）。大量分布式电源并网有可能造成电力系统不稳定、不安全和不可控，从而影响电网安全运行，所以分布式发电面临着许多质疑和技术障碍。微型电网就是为充分发挥分布式电源的优势、消除分布式电源对电网的冲击和负面影响而提出的一种新的分布式电源组织方式和结构。微型电网通过建立一种全新的理念，来解决分布式电源并网带来的安全隐患。通过将相邻的微型电源系统、储能装置和负荷装置结合起来进行协调控制，微型电网对配电网而言表现为性能稳定、品质良好的单个可控系统，它可与配电网进行双向能量交换，在配电网发生故障时可单独运行。

2 节能型电梯的能量回馈技术

电梯作为现代都市生活的重要组成部分，已经越来越被人们所熟知。特别是近几年来投入运行的电梯数量迅猛增加，人们对于电梯能耗的关注程度也越来越大。截止2008年年底，全国在用电梯达115万台，且保持着每年20%的递增速度。按照公认的统计数据，每台电梯平均日耗电约40kWh，则全国电梯每天耗电约4600万kWh，能源消耗是非常巨大的。

我国环境污染和能源危机所带来的紧迫感日益增强，节能环保行动正在每一个生产和生活领域中积极展开。电梯生产企业竞相推出了符合时代潮流的节能型电梯。电梯节能的途径主要有两类：一是提高电梯的运行效率，这主要体现在永磁同步无齿轮曳引机和交流变压变频调速技术的推广应用。二是将电梯已转换到负载上的势能和动能再次反变换成电能回馈电网再生利用，使电梯在单位时间内消耗的电网电能下降，从而达到节能的目的。运行中的电梯有时处于电动状态，有时处于发电状态。电梯处于发电状态有两种状况：一是 电梯到达目标层前，由最高速逐步减速直到停止运动的过程中，电梯释放系统动能的时段。二是电梯是势能性负载，电梯负载由载客轿厢和对重平衡块组成，对重平衡块重量等于轿厢自重加轿厢载重量的50%。轿厢与对重平衡块重量不平衡时，重量重的一侧下行时系统势能将释放重新转换为电能。先进的能量回馈技术主要有两类：一是交-交直接变频结构的矩阵变频技术，二是交-直-交间接变频结构的PWM可控整流-PWM可控逆变技术。矩阵变频是一种基于可控的双向开关的电力变换，其名字来源于它的矩阵状拓扑结构。目前最有实用价值、也是研究得最多的是如图1所示的单级三相输入、三相输出的矩阵变频。通过对图1中矩阵变频的九个双向开关进行严格的逻辑控制，就可实现频率与电压的变换，向负载提供频率与电压可调的电源。矩阵变频能直接进行频率变换，没有中间储能环节，基于矩阵变频的电梯驱动系统具有如下优点：

1）可四象限运行。矩阵变频采用了一级能量变换，使用双向开关，改变开关的动作次序就能够实现电梯曳引机的四象限运行，实现电动与再生状态的转换，并且输出电压、频率宽范围可调。

2）输入功率因数可调。输入功率因数正负可调，其值甚至可调节至逼近于±1，而且输入的功率因数与输出的功率因数无关联。

3）结构简单，利于硬件集成，易于模块化。矩阵变频本身无直流母线环节以及双向开关采用模块化方式，可以大大简化系统结构，这样整个功率电路可制成体积小且能量密度高的交交变压变频传动电源，并且整个系统的预期寿命不再受电容器寿命的限制。

4）有助于电梯控制柜小型化，减小电梯机房面积或利于无机房电梯控制柜在井道中的布置。

虽然矩阵变频有许多的优点，但其换流困难、双向开关功率模块技术还不是很成熟并且成本高，使得矩阵变频还没有在电梯行业大规模应用。尽管如此，矩阵变频有着无与伦比的优势，在电梯行业有着良好的发展前景，将是电梯行业变压变频技术发展的趋势之一。

交-直-交间接变频结构的PWM可控整流-PWM可控逆变技术这几年在电梯行业有了迅猛发展，各大电梯制造企业顺应时代潮流纷纷推出了各自的采用该项技术的能量回馈型电梯。目前成熟应用的能量回馈型电梯可分为两种类型，一是简易能量回馈型电梯，电梯在电动状态时，依然采用不可控整流方式，功率因数和电流波形不可调。电梯仅在发电状态时，使用外挂的能量回馈装置将泵升能量回馈到电网。简易能量回馈型电梯仅是使用能量回馈装置替代了能耗电阻，其控制方式没有根本变化，因此具有易开发、成本低等优点，在中小型电梯制造企业中得到了广泛应用。二是完全能量回馈型电梯，电梯无论是在电动状态还是在发电状态，整流都处于PWM可控状态。通过对电压和电流的全闭环控制，保证电源侧电流的波形为完美的正弦波，最大限度地减少了电梯对于电网的谐波污染，使得电梯真正成为名符其实的绿色产品。典型的PWM可控整流－PWM可控逆变结构如图2所示，整个系统由PWM可控整流和PWM可控逆变两部分通过直流电容相连接而构成。当电梯工作在电动状态时，PWM整流器起到整流作用，负责将电网交流电进行整流，得到电容两端的直流电；当电梯工作在发电状态时，PWM整流器起到回馈作用，负责将电梯产生的、聚集在直流电容上的泵升能量转化为符合并网条件的交流电，回馈给电网，以保持直流侧电压的相对恒定，同时使得电网侧电流波形和功率因数均为可控。完全能量回馈型电梯控制复杂、成本高，但其有着良好的社会效益，体现了企业的社会责任感，因此大型电梯制造企业的能量回馈型电梯大都采用此方案。经过在用电梯的实测比较，能量回馈型电梯可以比不可控整流的非能量回馈型变压变频调速电梯节能30%以上。由于电梯的能耗与运行工况有着密切的关系，图3为电梯在各种工况下的节能率。

在实际运行的同一规格电梯（2.5m/s、1350kg，17层站）上，我们测得了如下的节能效果：传统的电梯一周耗电826kWh，能量回馈型电梯一周耗电625kWh。除去两种类型电梯共同有的待机控制用功耗，实际电梯的节能约为30%。根据住宅楼典型应用的用电实测,传统的非能量回馈型变压变频调速电梯每天每台耗电约 37.7kWh（以两台 1.75m/s、1050kg、27层/27站该类型电梯实测为例），而采用能量回馈技术后，实际平均可节能30%以上。若全国在用115万台电梯全部采用能量回馈技术，则每年可节约电能47.5亿kWh。由此可见，电梯的节能意义重大。

3 节能型电梯与智能电网的衔接

节能型电梯作为分布式储能装置的重要组成之一，具有波动性和间歇性的特点，会对电网的供电品质造成一定程度的冲击。另外大量的节能型电梯并于配电网上运行，将可能改变传统配电系统单向潮流的特点，这客观要求配电系统采用新的技术方案。最主要的表现之一在于电能计量仪表必须满足电能双向潮流的需要。这恰恰是智能电网能解决的问题之一：构建具有智能判断与自适应能力的多种能源并网和分布式管理的智能化网络系统，其可对电网与用户用电信息进行实时监控和采集，并采用最经济安全的输配电方式将电能输送给终端用户，实现对电能的最优利用，提高电网运营的安全性和能源利用效率。微型电网是这一问题的具体解决方案之一，图4所示的是以一座大中型工厂为例的微型电网系统结构。

微型电网的核心技术之一是能量管理系统，它可实现微型电网系统决策分析、能量管理的分散自治控制、电能质量控制、与上级配电网的并网及电能交易控制、分布式电源或储能装置接入及优化运行控制、双向通信、负荷调节、双向电量计费、节能管理等功能，因此可根据用户的不同用电需求为其定制具有个性化的节能、经济运行的能源管理方式。微型电网通过高级的能量管理系统可把节能型电梯无缝集成到电网中协调运行，这可带来巨大的经济效益，也可提高电网系统的可靠性和效率，如无功支持、电能质量改善等。

节能型电梯与微型电网的衔接主要有两个方面，一是根据微型电网的要求实时向能量管理系统传送电梯信息，为能量管理系统的决策提供数据支持。这些电梯信息主要包括：电梯当前使用功率、功率因数、电能质量（电压、电流、频率）；预测的电梯下一步使用功率、功率因数、电能质量（电压、电流、频率）；电梯设备运行状况和控制策略；电梯在紧急事件中的角色定位等。二是根据微型电网的要求接收能量管理系统的电网信息，并根据电网信息和自身运行状况作出相应调整。这些调整主要包括：功率因数调整，为电网提供无功支持；电梯延时启动，避免电网中电机类设备同时启动所造成的电网过负荷；电梯变速运行（先进的电梯已具备可变速能力，如三菱电梯的可变速电梯）和群控策略调整，兼顾电网负荷平衡和电梯运行效率；电梯在紧急事件中根据电网状态调整使用模式等。

4 结论

由于各个国家国情各不相同，各国对智能电网的认识理解和研究重点并不相同，但利用现代的信息技术、先进的电力电子技术和智能的控制技术来实现电网的智能化已成为普遍的共识。微型电网为分布式电源的并网提供了新思路，但这是一项长期的系统性工程，需要有相应的政策法规密切配合。节能型电梯与智能电网的结合将产生巨大的社会效益，但目前这还依赖于分布式电源并网标准的建立和实施。因此立足于我国电网的自身特点和技术水平，参考国外研究成果，尽快构建智能电网的技术体系和框架，特别是智能电网用户端的整体规划，是关系到国家可持续发展的战略问题。

[1]余贻鑫，栾文鹏.智能电网[J].电网与清洁能源，2009，25(1)：7-11.