超级电容储能式电梯应用研究

罗志群， 万健如， 黄绍伦， 韩伟伟

(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501655)

超级电容储能式电梯应用研究

罗志群1，2， 万健如1， 黄绍伦2， 韩伟伟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501655)

针对现有的回馈并网型电梯节能技术存在的并网谐波及干扰的不足，设计了基于超级电容储能装置的储能式电梯系统。通过双向DC－DC变换器实现电梯回馈能量的存储与再利用;同时针对电梯系统，对超级电容储能装置的参数设计并给出了分析方法。仿真及样机实验结果表明，该系统能够实现回馈能量的有效利用，节能效果达到26%，并且保持原转矩和速度的平稳性，超级电容储能装置未对原有电梯系统的舒适性和安全性造成影响。

超级电容;电梯;储能;节能;参数选择

0引言

据国家特种设备主管部门近期的统计，截止到2013年第一季度我国电梯在用量已达250万台，是全球在用电梯最多的国家。2012年全国生产电梯43多万台，产量居世界第一;近几年我国电梯年均增长率在20%以上，我国已成为全球最大的电梯市场、最大的电梯制造基地、最大的电梯出口国。随着新装电梯数量的高速增长，巨大的电梯能耗已经受到各国政府及相关部门的重视，如何提高电梯节能水平，已成为国家和电梯业界共同关注的课题。

电梯作为一种特殊的“垂直交通工具”，本身特点就具有节能潜质:在轻载上行、重载下行时两种工况下处于再生发电状态，能够“回馈电能”。国外根据电梯能否有效利用这部分能量，将电梯分为“耗能型”和“回馈型”。中国电梯协会曾根据2006年国内的电梯现状进行了预测，如果80%的电梯采用节能电梯，全年能够节省约122亿kWh的电能;到2015年，如果所有电梯均采用节能电梯，全年能够节省约800亿kWh的电能，相当于三峡大坝一年总发电量。因此，电梯具有巨大的节能潜力，开展电梯节能技术研究，具有特别重要的经济效益和社会意义。

目前“回馈节能型”电梯采用的技术是加装能量回馈装置，将电梯的再生能量通过逆变装置回馈电网中，以达到节约电能的目的［1］。目前市场上已经推出几种功率等级的产品:如德国西门子公司推出了电机四象限运行的电压型交－直－交变频器;日本富士公司推出了RHR系列、FRENJC列电源再生单元，把有源逆变单元从变频器中分离出来，直接作为变频器的一个外设装置，并联到变频器的直流侧，将再生能量回馈到电网中。这些产品虽然能够将电梯制动的能量回馈到电网，但回馈电能的并网问题仍然没有很好解决，会对电网造成一定的负面影响［2］，在国内推广受到限制。

随着超级电容技术的兴起，储能技术在电梯节能上的应用成为新的研究热点。超级电容因其具有寿命长、充放电速率快、高低温性能好、能量管理简单、环境友好等优点，在新能源、电力系统、电动汽车等领域已经得到了应用，而在电梯上的应用研究国内尚处理论研究阶段，超级电容储能系统的实际节能效果及对电梯系统的影响应用研究鲜有报道。

基于上述背景，为进一步促进我国电梯节能技术的发展，提高电梯节能降耗水平，笔者以国内占电梯总数80%的垂直升降的客梯为研究对象，设计并研制了超级电容储能式电梯，对超级电容储能装置参数选择进行了研究，通过超级电容储能装置将电梯回馈的电能储存，并在需要时向电梯及其辅助装置供电，一方面实现回馈电能的实时循环利用，节能降耗;另一方面减少对电网的谐波污染，达到洁净节能的目的［3］;另外，超级电容储能装置可以作为EPS能源使用，在突然断电的情况下为电梯提供必要电能使其就近平层，实现有效的紧急救援。为进一步验证超级电容储能式电梯的实际运行效果，对2.5m/s的电梯进行了实验研究。

1 建模及参数设计

1.1 超级电容储能式电梯结构及功能

超级电容储能式电梯原理结构图如图1所示［4］。与现有电梯区别是，在直流母线电容与交流电网之间加装了超级电容储能式装置。

为了更合理的利用电能，对超级电容设置了储能上、下限阈值，设计的超级电容储能系统功能主要有:

1)回馈电能存储:当电梯处于再生电能工况时，回馈到DC Bus的再生能量快速储存到超级电容器组中，在此过程中，控制使得直流母线电压udc始终稳定在510～680 V内。在这个过程中，如果检测到超级电容器组端电压越过上限，则立即关闭双向DC－DC，并打开并联在变频器直流母线的泄放电路，将多余能量进行泄放。

2)功率输出补偿:当电梯处于耗能运行工况时，超级电容储能装置向直流母线输出功率，将储存的能量输出进行功率补偿，实现回馈电能储存的再利用，同时控制直流母线电压udc始终稳定在510～680 V内。在此过程中，如果检测到超级电容器组端电压降至输出下限值时，立即关闭双向DC－DC，退出功率补偿状态。

3)辅助系统供电及EPS紧急救援:当电梯运行过程中突发电网停电，超级电容储能系统充当EPS应急电源［5］，向电梯输出功率实现就近平层及开关门，实现紧急救援，并由超级电容器储能系统输出能量，转换为220 V交流电供给照明、通风、控制等辅助系统。

1.2 超级电容储能系统设计及建模

为实现上述三种功能，笔者设计的超级电容储能系统的原理结构图如图2所示。

由于超级电容器组在充、放电过程中，端电压变化范围很大，充放电电流大小也需要限制。为此，设计了双向DC－DC变换电路，通过升降压控制实现电压变换及电流限幅。为实现辅助系统供电及紧急救援时的功能，设计EPS模块:当电网正常时，由电网向辅助系统供电;当市电断电且储能系统电量充裕时，控制器启动逆变器，由市电供电状态切换到逆变器供电状态;当市电恢复或储能系统电能低于储能下限阈值，切换到市电供电状态。

双向DC－DC变换器的拓扑主要有非隔离型和隔离型两种。从控制阈值角度看，储能装置对电压增益要求不是很苛刻，因此选择低成本且控制高效的非隔离型双向DC－DC变换器进行建模及应用研究。对于超级电容来说，常用的数学模型有德拜电池模型、传输线模型、集总参数电路模型等［6］。其中集总参数模型，将超级电容器等效为一个理想电容器CF与一个阻值较大的等效电阻Rep并联之后再串联一个阻值较小的等效电阻Res［7］，适合建模分析。基于双向DC－DC变换器的超级电容储能系统电路模型如图3所示。

为实现电压控制及电流限幅，对于双向DC－DC变换器采用双环控制方法，外环为电压环，控制直流母线电压恒定;内环为电流环，在加快充放电动态响应的同时对电流进行限幅控制［8］。

1.3 超级电容储能系统参数设计

超级电容储能系统的参数选择需要从两个角度考虑:一是成本;二是应用场合。

设超级电容电压上下限阈值分别为:Umax、Umin，为使超级电容获得较高的充放电效率，减少深度充放电造成的超级电容寿命缩短，充放电深度D应满足式(1)

考虑到双向DC－DC变换器与超级电容器组配合问题，为降低储能系统成本同时保证变换器工作在高效状态［9］，两阈值应满足式(2)，其中Udc为直流母线电压:

实现紧急救援功能时的超级电容输出功率Pc、对应的超级电容器组的输出电流Ic以及曳引机拖动轿厢就近平层的输出功率Py应满足式(3)

对于单梯系统，超级电容器组总容量Csc按照功率补偿空间能够满足回收电梯空载上行、满载下行一个行程周期所产生全部再生能量的要求进行设计，如式(4)

式中:η1为超级电容充放电效率及变换器转换效率的等效系数;η2为曳引电机发电效率、逆变器转换效率、机械系统效率以及加减速动能损耗等的等效系数;W为电梯空载上行、满载下行一个行程周期理论上能够产生的最大再生能量。

根据实际电梯系统，由式(1)～式(4)选择超级电容器组容量。

对于双向DC－DC变换电路，如图3所示，储能电感L的作用是限制充电电流峰值、减少开关损耗，储能电感L的选择由式(5)选取，当电感电流临界连续时有

式中:P为超级电容最大有功功率，即电梯运行所需最大功率;fs为开关频率;D2取变换器工作在Boost电路模式下开关管VT2的最小占空比［10］。

对于直流母线电容C，由于充放电所引起的电压变化公式为

D2取变换器工作在Boost电路模式下开关管VT2的最小占空比［10］，结合实际系统余量，由式(5)、式(6)设计储能电感和直流母线电容值。

2 仿真及实验研究

2.1 仿真分析

为验证超级电容储能式电梯功能，在SIMULINK中搭建了电梯系统模型。仿真参数见表1。

分别模拟电梯轻载、重载上下行过程，在重载下行、轻载上行时，电梯处于再生能量回馈状态，双DC工作在Buck模式下，VT2始终关断，VT1在调制后的占空比下周期性的开通与关断，其中载波频率为20 kHz，采用超级电容电压外环与充电电流内环双闭环控制，外环PI参数为:100，1;内环PI参数为: 0.1，100，设异步电动机负载转矩为－60 N·m，仿真波形如图4所示。

如图4电梯重载下行、轻载上行仿真波形所示，0～8.9 s，曳引机处于能量回馈状态，回馈的能量以50A的电流向超级电容充电，同时维持直流母线电压为540 V左右。8.9 s时，超级电容电压到达220V，双DC电路停止工作，因此8.9～14 s时，回馈的能量经电梯的泄放电路被消耗掉，直流母线电压为580V左右。

在重载上行、轻载下行时，电梯处于电动耗能状态，双DC工作在Boost模式下，VT1始终关断，VT2在调制出的占空比下周期性的开通与关断，其中载波频率为20 kHz，采用直流侧电压外环与放电电流内环的双闭环控制。电压外环PI参数为:0.1，50;电流内环PI参数为:0.8，100。负载转矩为60N·m，仿真时间为14 s，仿真波形如图5所示。

如图5电梯重载上行、轻载下行仿真波形所示，在0～0.4 s内，电梯处在启动加速状态，启动电流较大，曳引机从变频器汲取较大的启动能量，因此电梯变频器直流母线电压出现较大波动。在0～9.8 s内，电梯启动、加速再到匀速，曳引机此时处于电动状态，超级电容以55 A的电流向直流母线放电，同时维持直流母线电压在510～540 V。9.8 s时，超级电容电压下降到180 V，双DC－DC电路停止工作，因此9.8～14 s时，电梯消耗的能量全部来源于电网，直流母线电压为510～540 V。

由上述仿真波形可以看出，超级电容储能装置能够实现电梯回馈能量的存储与再利用，当装置工作时，直流母线电压能够保持在规定范围内(510～600 V)，当超级电容储能系统电压超过设定的上下限阈值时，能够实现相应的保护，而且在超级电容的投入和退出时，曳引机的转速和电磁转矩基本仍能保持平稳，因此超级电容的引入不会影响电梯的舒适感和稳定性。通过仿真研究可知，此方案可行。

2.2 实验研究

为验证超级电容储能式电梯实际运行效果，设计并研制了一台样机，样机控制柜实物如图6所示。

实验电梯额定载荷量为1 000 kg，电梯速度为2.5m/s，曳引机额定功率16.3 kW，提升高度为69m。设定直流母线电压为580 V，结合式(1)～式(4)，取Umax=240 V、Umin=175 V，η1=0.9，η2=0.8，计算得到Csc=45F，考虑样机储能余量，取超级电容器组总容量Csc=75F。结合式(5)、式(6)，开关频率取10 kHz，D2取0.3，并保留余量，取储能电感 L= 0.5mH，直流母线电容C=0.22mF。

满载情况下，使超级电容储能式电梯做上下往返运动，实验装置波形如图7所示。

从实验波形可以看出，样机实际波形与仿真波形一致。满载上行时，电梯处于耗能状态，超级电容端电压降低，输出电能进行功率补偿，当降低到设定的下限阈值时，双DC－DC变换器关闭，暂停功率补偿;满载下行时，电梯处于再生能量回馈状态，直流母线电压升高，回馈到直流母线的电能通过双DCDC变换器存储到超级电容中，超级电容器组端电压升高。

采用参考行程法进行50次实验，分别对超级电容储能式电梯和加装能量回馈装置的电梯能耗进行测量，并与不加装节能装置的电梯能耗进行对比，如表2、表3所示。

对比可以看出，超级电容储能式电梯总体节能效果可达26%，与加装能量回馈装置的电梯相比，总体节能效果提高6.6%，这是由于DC－DC的转换效率比DC－AC高。

加装超级电容储能系统前后电网A相电流频谱分析如表4所示。

1)仿真及实验结果表明，设计的超级电容储能系统能够实现能量存储、功率补偿及辅助系统供电和紧急救援功能;

2)样机能耗实验测试结果表明，超级电容储能式电梯能够实现电梯回馈能量的有效利用，总体节能效果达到26%;

3)与能量回馈电网节能型电梯相比，超级电容储能式电梯节能效果提高6.6%，同时避免了并网时给电网带来的谐波干扰，而且从谐波分析来看，超级电容储能式电梯在功率补偿时对谐波有一定的改善作用，可作为进一步研究方向;

4)超级电容通过双DC－DC挂接到变频器的直流母线上，且超级电容有独立的充放电控制电路，并没有改变原有的电梯控制电路，在控制超级电容充放电时，要保证直流母线的电压与加装超级电容之前在同一个范围内，为了进一步确保电梯运行的可靠性，保留了电梯原有的泄放电路。因此超级电容作为储能元件加载到直流母线上，不会对电梯原有运行性能造成影响，也不会影响电梯的可靠性。

5)考虑到电梯安全等因素，超级电容储能式电梯保护系统的设计及电磁兼容问题是未来研究的重点。

通过谐波频谱分析可以看出，当电梯处于发电运行工况(重载下行、轻载上行)时，加装超级电容储能装置后THD值较高，但此时电网输出电流较小，对电网带来的影响不大;当电梯处于耗能运行工况时(重载上行、轻载下行)，加装超容系统后谐波变小。

3结论

对超级电容储能式电梯进行了建模仿真及实验研究，得到以下研究结论:

［1］ HE Jinping，MAO Chengxiong，LU Jiming．Design and implementation of an energy feedback digital device used in elevator［J］．IEEE TRANSACTIONSON INDUSTRIALELECTRONICS，2011，58(10):4636－4642．

［2］ LI Bin，Wan Jianru，LIMingshui，et al．Research on elevator drive device with super capacitor for energy storage［C］//2011 4th International Conference on Power Electronics Systems and Applications，Hong Kong，China，2011:1－5．

［3］ 杨惠．基于双向DC－DC变换器的超级电容器储能系统研究，

西安理工大学学报［J］．2011，27(4):456－460．

YANG Hui．Research on a super capacitor energy storage system based on bi-directional DC－DC converter［J］．Journal of Xi’an U-niversity of Technology，2011，27(4):456－460．

［4］ ZHOU H，KHAM A M．Hybrid modulation for dual-active-bridge bidirectional converterwith extended power range for ultracapacitor application［J］．IEEE Transactions on Industry Applications，2009．45(4):1434－1442．

［5］ Wei Songlin，Chen Hongzheng．Energymanagementof a fuel cell/ ultracapacitor hybrid power system using an adaptive optimalcontrolmethod［J］．Journal of Power Sources，2011，196(6): 3280－3289．

［6］ ANTONIS Orphanou，TOSHISHIGE Yamada，CARY Y YANG．Modeling of a carbon nanotube ultracapacitor［J］．Nanotechnology，2012，23．［7］ 高明远．双向DC－DC变换器基于切换系统的建模与储能控制［J］．电力系统保护与控制，2012，40(3):129－134．GAOMingyuan．Modeling and energy storage control for bi-directional DC-DC converter based on switching system［J］．Power System Protection and Control，2012，40(3):129－134．

［8］ GAO Jing，YAO Suying，XU Jiangtao．Design of a high efficiency boost DC-DC converter［J］．Transactions of Tianjin University，2009，15:350－354．

［9］ Grbovic，P J，Philippe Delarue．Modeling and control of the ultracapacitor-based regenerative controlled electric drives［J］．IEEE Transactions on Industrial Electronics，2011，58(8):3471－3484．

［10］ 马奎安．超级电容器储能系统中双向DC/DC变流器设计［D］．浙江:浙江大学，2010．

(编辑:刘素菊)

Research and app lication to super-capacitor for elevator energy-saving

LUO Zhi-qun1，2， WAN Jian-ru1， HUANG Shao-lun2， HANWei-wei1
(1．School of Electrical Engineering and Automation，Tianjin University，Tianjin 300072，China; 2．Guangdong Institute of Special Equipment Inspection and Research，Guangzhou 501655，China)

To solve the problem of harmonics and interference when the elevator energy feedback device was applied，an elevator energy-storage system with super-capacitor was studied and designed．The feedback energy can be stored and reused by using bi-directional DC-DC converter．Based on this elevator system，the parameter designmethod of super-capacitor energy-storage devicewas discussed in detail and a specific principlewas proposed．Simulation and experimental results show that this designed system realizes the effective feedback energy，and 26%considerable energy-saving is reached．Furthermore，there is no negative impact on either comfortable sensation or safety．

super-capacitor;elevator;energy storage;energy-saving;parameter design

10．15938/j．emc．2015．06．009

TM 921.4

A

1007－449X(2015)06－0055－07

2013－07－07

国家质检总局公益性行业科研专项资助项目(201310153)

罗志群(1970—)，男，博士研究生，教授级高级工程师，研究方向为电力电子与电力传动;

万健如(1950—)，男，博士生导师，教授，研究方向为电力电子与电力传动;

黄绍伦(1988—)，男，硕士，助理工程师，研究方向为电力电子变换技术;

韩伟伟(1990—)，男，硕士，研究方向为超级电容协同控制电梯节能方法研究。

万健如