基于隔离双向DC/DC变换器的电梯节能系统建模与仿真

韩伟伟， 黄绍伦， 代清友， 万健如

(1.天津大学 电气与自动化工程学院，天津 300072；2.广东省特种设备检测研究院，广东 广州 510655)

基于隔离双向DC/DC变换器的电梯节能系统建模与仿真

韩伟伟1， 黄绍伦2， 代清友2， 万健如1

(1.天津大学 电气与自动化工程学院，天津 300072；2.广东省特种设备检测研究院，广东 广州 510655)

为了解决超级电容存储型电梯节能装置成本高的问题，将隔离双向DC/DC变换器用于电梯节能装置，通过小信号分析法对隔离双向DC/DC变换器进行分析建模，引入了电梯变频器直流母线电压外环、超级电容充放电电流内环的双环PI控制策略，克服了从直流母线电压到超级电容电压大变比变换难以实现的技术难点，在完成电梯回馈能量的存储与再利用的同时，有效降低了电梯节能装置的成本。并利用超级电容放电电流大的优势，在电梯启动时超级电容节能装置提供大电流补偿，减少了对电网的冲击。通过Simulink仿真分析，验证了方法的有效性和可行性。

超级电容；电梯节能；隔离双向DC/DC变换器；双环PI控制；大变比变换

0 引 言

据中国电梯协会统计，截止到2013年底，中国在用电梯保有量已达到300多万台，仅2013年，中国电梯产量达63.3万台，占全世界产量的65%，而我国平均每部电梯每天的耗电量约为40 kW·h，约占整个建筑能耗的5%。另据宾馆、写字楼等商业建筑的用电情况调查统计数据显示，电梯用电量已占总用电量的17%-25%[1]。电梯作为一种启停频率极高的垂直交通工具，重载下行和轻载上行以及制动情况下曳引机处于再生发电状态，具有极高的节能潜能。若对每台在用电梯都加装节能装置，节能效果按20%计算，每年可节约90亿kW·h的电能。因此，对电梯节能系统的研究具有特别重要的社会意义和经济效益。

现在国内学者研究的电梯节能装置，是将超级电容模组经双向DC/DC变换器和变频器直流母线相连接，而所用的双向DC/DC变换器一般为非隔离双向DC/DC变换器，难以实现大变比的变换[2]，因此需要串联叠高超级电容模组的额定电压，造成成本成倍上升。针对这一问题，本文将隔离双向DC/DC变换器应用于存储型电梯节能装置，实现了大变比的变换，降低了所需超级电容模组的电压，可有效降低节能装置的成本。同时，当曳引机启动时会产生数倍于额定电流的启动电流，对电网产生冲击，本文研究的节能装置能在电梯启动时提供较大的放电电流，能在一定程度上减少电梯对电网造成的冲击[3]。

1 节能电梯的拓扑结构及工作原理

基于隔离双向DC/DC变换器的节能电梯拓扑结构如图1所示，超级电容通过隔离双向DC/DC变换器与电梯变频器直流母线相连，隔离双向DC/DC变换器由两个带有反并联二极管的单向逆变桥和高频变压器组成，通过控制变换器中开关的通断来控制超级电容的充放电。

图1 存储型节能电梯拓扑结构

当电梯处于重载下行或轻载上行时，曳引机处于再生发电状态，回馈的电能经变频器逆变侧反并联二极管，回馈到变频器直流母线上，导致直流母线电压升高。当检测到直流母线电压高于一定值，电流流向为从曳引机侧流向直流母线侧，并且超级电容电压低于工作上限时，控制隔离双向DC/DC变换器，直流母线给超级电容充电。若超级电容充电至工作电压上限，则隔离双向DC/DC变换器停止工作，超级电容停止充电。若此时电梯继续回馈能量，则回馈的能量经泄放电路消耗掉。

当电梯处于重载上行或轻载下行时，曳引机处于电动状态，当检测到电流方向为直流母线侧流向曳引机侧，并且超级电容电压高于设定的工作下限时，控制隔离双向DC/DC变换器，使超级电容向电梯供电。若超级电容放电至工作电压下限，则隔离双向DC/DC变换器停止工作，超级电容停止放电。若此时电梯继续消耗能量，则消耗的能量全部来源于电网。

2 隔离双向DC/DC变换器的模型分析与控制策略

由于变换器中的开关器件等非线性元件的存在，隔离双向DC/DC变换器是一个非线性系统，但当它运行在某一个稳态工作点时，仍可把它当作线性系统来近似[4]，因此下面重点分析隔离双向DC/DC变换电路的动态小信号数学模型，并研究在该模型下的控制方法。BUCK与Boost模式模型类似，故仅介绍BUCK模式建模。图2为BUCK/Boost隔离双向DC/DC变换器主电路拓扑。

图2 隔离双向DC/DC变换器主电路拓扑

隔离双向DC/DC变换器工作在BUCK模式下时，整流/逆变电路2工作在逆变状态，开关管T5、T8和T6、T7交替导通和关断，整流/逆变电路1工作于整流状态，开关管T1、T4和T2、T3一直处于关断状态。忽略超级电容并联内阻，R为超级电容等效串联内阻和电感L内阻之和。忽略开关管压降，稳态时在一个开关周期内，可得到式(1)的电压电流方程：

(1)

(2)

在稳态工作点时有：

(3)

综合(1)、(2)、(3)式，求解得：

(4)

根据式(4)中的电感电容的电流电压方程可得BUCK电路的等效小信号模型如图3所示[5-6]。

图3 BUCK模式下小信号数学模型

(5)

在一个开关周期内，电感吸收和释放能量相等，有功率平衡方程：

(6)

其中η为隔离双向DC/DC变换器的效率，又:

(7)

解得：

(8)

对直流母线电压和超级电容的充电电流的控制采取直流母线电压外环，超级电容充电电流内环的双环控制，通过采样滤波电感电流iL和直流母线电压udc，用外环电压误差的控制信号去控制电流，通过调节电流使输出电压跟踪参考电压值[7]。电流内环能扩大逆变器控制系统的带宽，使得逆变器动态响应加快，输出电压的谐波含量减小[8-9]。BUCK模式下，双环控制的系统框图如图4所示，电压外环采用PI调节器，使得输出电压波形瞬时跟踪给定值；电流内环也采用PI调节器跟踪给定电流，电流调节器的比例环节用来增加逆变器的阻尼系数，使整个系统工作稳定，并保证有很强的鲁棒性[7]。

图4 BUCK模式下双环控制系统框图

3 仿真分析

为验证隔离双向DC/DC变换器应用于电梯节能系统的可行性，在MATLAB/Simulink中搭建了基于隔离双向DC/DC变换器的电梯节能系统模型，分别模拟了电梯重载上行、轻载下行和重载下行、轻载上行两种电梯的典型工作过程，电梯单程运行的时间设定为10 s，系统的仿真参数为：① 超级电容模组容量：83 F；② 滤波电感：1 mH；③ 直流母线滤波电容：5 000 μF；④ 直流母线电压：510 V～680 V；⑤ 超级电容模组工作电压范围：70 V～90 V；⑥ 超级电容模组初始电压：80 V；⑦ 超级电容模组等效串联内阻：9.6 mΩ；⑧ 曳引机额定功率：10 kW；⑨ 开关频率：20 kHz。

3.1 重载下行或轻载上行

对隔离双向DC/DC变换器的控制方式采用直流母线电压外环超级电容充电内环的双环PI控制，其中直流母线电压设定为580 V，外环直流母线电压环PI参数为2,50；超级电容充放电电流最大值设定为120 A，内环超级电容充电电流环PI参数为5, 100，曳引机的电磁转矩为-50 N·m，仿真波形如图5所示。

图5 重载下行或轻载上行仿真波形

超级电容电压、超级电容充电电流和直流母线电压如图5(a)所示，在0 s～0.5 s时，电梯处于启动、加速阶段，曳引机处于耗能电动状态，并且存在数倍于额定电流的启动电流，此时超级电容以120 A的大电流放电，减小了电梯因启动电流大对电网造成的冲击。0.5 s～8.2 s时，电梯处于匀速运行状态，电梯向超级电容回馈能量，直流母线电压稳定在580 V，超级电容以105 A的电流充电，并逐渐减小至95 A，超级电容电压由78 V增至90 V。8.2 s时，超级电容充电至工作电压上限90 V，隔离双向DC/DC变换器停止工作，超级电容停止充电。8.2 s～10 s时，电梯继续匀速运行，曳引机继续向直流母线回馈电能，当直流母线电压升至泄放电路工作的门限电压600 V时，泄放电路开始工作，将回馈的电能消耗在泄放电阻上，并维持直流母线电压为600 V。

3.2 重载上行或轻载下行

对隔离双向DC/DC变换器的控制采用直流母线电压外环超级电容放电电流内环的双环PI控制，其中直流母线电压的给定值为535 V，外环直流母线电压环PI参数为20,1；超级电容放电电流最大值限制为120 A，内环超级电容放电电流环PI参数为5,1 000，曳引机的电磁转矩为50 N·m，仿真波形如图6所示。

图6 重载上行或轻载下行仿真波形

[1] 佟丹．电梯节能认证意义重大[N]．政府采购信息报，2013-12-23(8).

[2] 刘海波．电力电子变压器控制策略研究[D]．武汉：华中科技大学，2011．

[3] 刘冠男，张相军．基于超级电容储能双向DC/DC变换器控制模型分析[J].电力电子技术，2013,47(10)：81-83．

[4] 高雪松，张相军．基于超级电容的双向DC/DC变换器软开关控制分析[J]．电气传动，2013，S1: 82-86．

[5] 马奎安，超级电容储能系统中双向DC/DC变流器设计：[D]．杭州；浙江大学，2010．

[6] 徐德鸿，电力电子系统建模及控制[M]．北京：机械工业出版社，2006．

[7] 杨会敏，宋建成．基于双环控制的单相电压型PWM逆变建模与仿真[J]．电气传动自动化，2009,31(1)：15-18．

[8] TRUONG DQ, AHN KK. Force control for hydraulic load simulator using self-tuning grey predictor-fuzzy PID[J]. Mechatronics,2009,19(2):233-246.

[9] WANG CHENGWEN,JIAO ZONGXIA,WU SHUAI.An experimental study of the dual-loop control of electro-hydraulic load simulator (EHLS)[J].Chinese Journal of Aeronautics,2013,(6):1586-1595.

【作者简介】 李锦慧(1992-)，女，青海人，本科，研究方向为控制科学与工程。 王忠(1964-)，男，四川仪陇人，副教授、硕士生导师，研究方向为GPS理论及应用、无线与移动通信关键技术、网络通信理论与技术等。

Modeling and Simulation of an Elevator Energy-saving SystemBased on Isolated Bidirectional DC/DC Converter

HAN Wei-wei1，HUANG Shao-lun2，DAI Qing-you2，WAN Jian-ru1

(1.College of Electrical Engineering and Automation, Tianjin University, Tianjin 300072, China；2. Guangdong Institute of Special Equipment Inspection and Research,Guangzhou Guangdong 510655, China)

To solve the problem of high cost of super-capacitor storage type elevator energy-saving device, the isolated bidirectional DC/DC converter is used in the energy-saving device, analysis and modeling is made of the isolated bidirectional DC/DC converter in the small signal analysis method, and a double-loop (outer loop of converter DC bus voltage and inner loop of super-capacitor charging-discharging current) PI control strategy is introduced to overcome the technical difficulty in the high turns ratio transformation from DC bus voltage to super-capacitor voltage, thus greatly reducing the cost of elevator energy-saving device while realizing storage and reuse of elevator feedback energy. Furthermore, by using the strong current discharged from the super-capacitor, the super-capacitor energy-saving device provides strong current compensation when the elevator starts, thus reducing impact on the power grid. Simulink simulation verifies the effectiveness and feasibility of this approach.

super-capacitor; elevator energy saving; isolalated bidirectional DC/DC converter; double loop PI control; high turns ratio transformation

电梯节能技术与产品展示平台开发(2014QK181)

10.3969/j·issn.1000-3886.2015.04.003

TM921

A

1000-3886(2015)04-0007-03

韩伟伟 (1990-)，男，安徽人，硕士生，研究方向：电力电子与电力传动。 黄绍伦(1988-)，男，广东人，硕士生，研究方向：电力电子与电力传动。 代清友(1981-)，男，贵州人，硕士生，研究方向：自动化。 万健如(1950-)，男，江西人，教授，博士生导师，研究方向：电力电子与电力传动。

4 结束语

定稿日期: 2014-09-16

在电梯重载上行或轻载下行时，超级电容电压、超级电容放电电流和直流母线电压仿真波形如图6(a)所示，在0 s～0.5 s时，曳引机处于启动、加速阶段，曳引机存在较大的启动电流，此时超级电容以120 A的大电流向直流母线放电。在0.5 s～7.9 s时，曳引机工作在匀速状态，此时超级电容起初以85 A的电流放电，并逐步增大至100 A，超级电容电压由78 V降至70 V。7.9 s时，超级电容电压降至工作下限70 V，因此7.9 s～10 s时，超级电容停止向电梯供电，此时电梯消耗的电能全部来源于电网。

本文将隔离双向DC/DC变换器用于存储型电梯节能系统，基于小信号分析法对隔离双向DC/DC变换器进行分析，采用电压电流双环PI控制，对电梯节能系统进行了建模仿真。仿真结果表明，本文设计的电梯节能系统能够实现电梯回馈能量的存储与再利用，通过大变比的变换，降低了超级电容侧的工作电压。在电梯启动时，超级电容提供较大的放电电流以补偿电梯的启动电流，减少了电梯因启动电流大对电网的造成冲击。