支持新能源接入的直驱式电梯控制系统的研究

周敏杰，史旺旺，冯均永

（扬州大学水利与能源动力工程学院，江苏扬州 225009）

支持新能源接入的直驱式电梯控制系统的研究

周敏杰，史旺旺，冯均永

（扬州大学水利与能源动力工程学院，江苏扬州 225009）

针对传统电梯仅由电网供电时耗能严重的问题，研究了支持新能源接入的电梯控制系统。系统采用了具有高功率因数、低谐波污染和能量可逆优点的双PWM结构。通过建立三相电压型PWM整流器和永磁同步电动机在两相同步旋转dq坐标系下的数学模型后，采用了双闭环控制策略。为了在新能源功率变化时，使系统具有更好的稳定性和更快的响应特性，提出了采用基于反步法设计的非线性控制算法，提高了系统的控制性能。最后开发了新能源驱动的变频调速的实验平台，并进行了实验验证，实验结果验证了系统方案设计的正确性和有效性。

直驱电梯；新能源驱动；双脉宽调制；Lyapunov函数

1 引言

随着经济的持续发展和科技水平的逐步提高，高层建筑越来越多，电梯的应用越来越普及。由于电梯的用电量远远高于照明等其他行业的用电量，电梯行业需要寻求新能源的支持。采用接入太阳能、风能等新能源来驱动电梯不仅大幅度提高了电梯行业的能源利用效率，有效地实现了电梯的节能，而且不会对环境造成污染，很好地实现了环保［1-3］。

常用的电梯驱动技术中，其变频调速系统一般采用交-直-交型主电路拓扑结构，并且已经采用了双PWM控制方式，这使得变频调速系统具有高功率因数、低谐波污染和能量可逆的优势［4-9］。整个系统采用双闭环PI调节的控制策略，其中网侧变流器分别以电网电流和直流电压为内、外环控制对象进行调节，机侧变流器分别以电机电流和电动机转速为内、外环控制对象进行调节。但是系统在新能源接入时，由于新能源具有较大的波动性，容易引起直流侧功率的不平衡，进而降低了直流电压的稳定度。针对上述问题提出在网侧变流器外环控制中，引入网侧变流器负载电流补偿来实现网侧变流器、机侧变流器和新能源供电三者之间的功率快速平衡，从而实现直流电压的快速响应，增加直流电压的稳定度。同时针对整个系统是一个多变量耦合的非线性系统，采用基于反步法的非线性方法推导出控制算法，提高了系统的可靠性、控制精度与抗干扰能力。

2 系统主电路及工作原理

整个系统主要由网侧变流器、机侧变流器和永磁同步电动机组成。同时为了验证系统能够支持新能源的接入，采用自主开发的光伏升压DC/DC变换器来进行新能源接入实验。网侧变流器和机侧变流器均采用PWM技术，双PWM具有以下特点［10-13］：输入电压、电流频率固定，波形为正弦波，可实现电网侧输入功率因数近似为1，消除谐波污染，输出电压、电流频率可变，电流波形也为正弦波，可实现电动机的4象限运行，能量可双向传送，能量转换效率高。如图1所示，系统主电路由进线电抗器、网侧功率开关管IGBT构成的全桥电路、中间直流侧储能电容器、太阳能电池板、升压DC/DC变换器、机侧功率开关管IGBT构成的半桥电路和永磁同步电动机组成。其工作原理为［14-15］：1）太阳能供电未接入，系统仅由电网供电时，若电动机处于电动状态，则网侧变流器工作在整流状态，机侧变流器工作在逆变状态，能量由电网侧流向电机侧，向电动机供电；若电动机处于发电状态，则网侧变流器工作在逆变状态，机侧变流器工作在整流状态，能量由电机侧流向电网侧，向电网回馈电能。2）太阳能供电接入时，若电动机处于电动状态，则机侧变流器工作在逆变状态，而网侧变流器的工作状态要根据负载电流来判断，负载电流由电网流向负载时，网侧变流器工作在整流状态，此时太阳能供电和电网一起向电动机供电，负载电流由负载流向电网时，网侧变流器工作在逆变状态，此时仅有太阳能供电向电动机供电，并将多余的电能经网侧变流器回馈到电网；若电动机处于制动发电状态，则网侧变流器工作在逆变状态，机侧变流器工作在整流状态，系统将太阳能供电和电动机制动发出的电能回馈至电网。

图1 主电路结构Fig.1 Main configuration

3 数学模型

三相电压型PWM整流器电路结构如图2所示。

图2 三相电压型PWM整流器Fig.2 Three-phase voltage-sourced PWM rectifier

图2中，ea，eb，ec为三相对称电源相电压，ia，ib，ic为三相线电流，uao，ubo，uco为整流器输入相电压，R，L为滤波电抗器的电阻和电感，udc为直流侧电容电压，idc为直流侧电流，iL为负载电流，Q1～Q6为整流器开关管。sa，sb，sc分别表示三相桥臂的开关函数，三相桥臂的上下管互补导通，si=1(i=a，b，c)表示上管导通，下管关断；si=0表示下管导通，上管关断。

在三相电压型PWM整流器的控制中，为了简化设计，一般采用空间坐标变换的思想，进行坐标变化。经dq坐标变换后，则可得三相电压型PWM整流器在dq坐标系下的方程为

式中：ω为电网基波角频率；sd，sq为dq坐标系下的开关函数。

交流电动机的数学模型具有多变量、强耦合和非线性的特点，转矩的控制比较困难，而电机调速系统的动态性能取决于对电机转矩的控制能力。控制的基本思想是在三相交流电动机上模拟直流电动机的转矩控制规律。对于表面贴式永磁同步电动机，可得在两相同步旋转dq坐标系下的方程为

式中：usd，usq为电机端电压的dq轴分量；isd，isq为定子电流的dq轴分量；Ls为同步电感；Ψf为转子磁链；ωs为电机电角速度；Es为空载电势；Te为电磁转矩；Np为电机极对数；Tm为负载转矩；J为电机转动惯量。

4 控制策略

如图3所示，整个系统采用双闭环控制，在电网侧，为了稳定直流母线电压，取直流侧电容上的电压作为外环控制对象，对电压误差进行PI调节后作为在电流内环中电流d轴分量的参考值。由于系统运行在单位功率因数状态，设定电流内环中电流q轴分量参考值为0。对电流误差进行PI调节后，输出相应的控制变量来控制系统电网侧变流器运行在稳定状态，实现对直流电压以及电流d，q轴分量的无静差控制。在电机侧变流器的控制中，以电动机的转速作为外环控制对象，电流内环的控制与电网侧类似。

图3 系统控制框图Fig.3 System control block diagram

常规的双PWM变频调速系统在太阳能供电接入系统时，由于太阳能发电具有波动性，引起直流侧功率的不平衡，进而影响直流电压的稳定度。针对上述问题，本文提出反步法设计方法，通过提高网侧变流器负载电流的预测精度并进行补偿来实现直流侧功率快速平衡，使得直流电压快速稳定。如图1所示，对变频调速系统而言，任意时刻都满足直流侧电流平衡关系，即iL=iout-iin，其中iL为网侧变流器负载电流，iout为机侧变流器输入电流，iin为光伏供电输入电流，iL和iout方向流向电机侧时取正。将电流传感器检测出的网侧变流器负载电流iL补偿到外环控制中，经过双闭环PI调节后，加快了系统的动态响应速度，实现了直流电压的快速无静差控制。

由于网侧变流器本质上是具有多变量耦合的非线性系统，为了可以较好地解决大范围稳定性控制问题，本文采用了基于反步法的非线性控制方法，以电容、电感储能的定量关系建立Lyapunov函数。根据反步法设计原理，基于电容储能的公式，定义引入积分环节后的Lyapunov函数V1为

式中：KuP为电压外环比例系数。

此时V1收敛于0，将式（1）代入式（5）化简后可得：

为了使系统工作在单位功率因数状态，令iq=0，即可得：

并由电路稳态关系可得：

将式（9）代入式（8）可得：将作为引入网侧变流器负载电流补偿后的电流d轴参考值，对其求导可得：

针对电感储能的公式，定义引入积分环节后的Lyapunov函数V2为

式中：KiI为电流内环积分系数。

对V2求导变形后可得：

式中：KiP为电流内环比例系数。

此时V2收敛于0，最后可以得到如下控制变量：

由式（11）看出，电流d轴参考值的导数含有Δu分量，因此通过Lyapunov函数V2所得的控制变量sd中不仅含有Δid分量，也含有Δu分量，这使得直流电压的稳定度进一步提高。

图4 控制系统流程图Fig.4 Flow chart of system

整个控制系统的运行流程如图4所示。控制电路一上电，系统开始运行，电网侧控制开启时，电网侧接触器闭合，开始给直流侧电容预充电；当直流电压达到设定值时，直流侧接触器闭合，预充电过程结束，网侧变流器以单位功率因数状态整流；当电机侧控制开启时，电机侧接触器闭合，待电机相位初始化完成后，机侧变流器以单位功率因数状态逆变，电动机以电动状态运行；当光伏接触器闭合时，光伏接入直流侧进行供电；当给定电机转速信号时，系统控制电动机调节转速；同时系统实时调节着直流侧功率平衡。

5 系统控制电路及辅助电路

系统的控制电路是以DSP控制芯片为核心的最小系统电路。辅助电路包括信号采集和处理电路、保护电路、驱动电路、编码器电路等。

最小系统电路主要包括DSP芯片、电源电路、时钟电路、复位电路和引导模式电路。本文采用TMS320F28335DSP作为最小系统的主控芯片。它能够执行复杂的浮点运算，可以节省代码执行时间和存储空间，具有精度高，成本低，功耗小等优点。因此，它可以简化软件开发，缩短开发周期，降低开发成本。

系统保护电路的功能包括过电压保护、过电流保护和三相电源缺相保护［16］。过电压保护和三相电源缺相保护是利用霍耳电压传感器采集电压，与设定值相比较，超过设定电压值，进行相应的保护动作。过流保护是把霍耳电流传感器采集的电流信号与设定值比较，从而进行过流保护。所有保护中有任一保护动作都会使功率管锁住，系统停止工作，防止系统在非正常工作状态下损坏设备。

系统的信号采集部分是利用霍耳传感器来采集电压电流等信号。传感器输出的模拟信号经过调理电路处理后转换为一定范围的电压模拟信号，再将电压模拟信号传送给模数转换芯片进行模数信号转换，转换输出的数字信号被送至DSP进行处理。

系统的测速部分采用海德汉ER1387光电编码器，它不仅可以检测电机的转速，而且能够测定转子相对于定子的位置以及电机的转动方向，利用它输出的正交编码信号和索引信号经过偏置、放大、比较后产生的高频脉冲信号确定电机的转向，并实时计算求得电机的角速度。

系统驱动IGBT部分采用经典的光耦隔离驱动电路，整个系统由DSP输出PWM控制信号，经过光耦驱动电路放大后，通过控制IGBT的开通和关断来进行电能的整流逆变。光耦隔离驱动电路解决了电压隔离、功率放大等问题，使得电路设计简单。

6 实验结果

为了验证提出的网侧变流器负载电流补偿的控制方法和基于反步法的Lyapunov非线性控制方法的正确性和可行性，本文分别搭建了双PWM变频调速系统的仿真平台和试验平台。把负载电流补偿的控制策略和基于反步法的非线性控制策略相结合应用到实际系统中，在开发的试验装置上，进行了相关的运行控制实验。表1给出了变流器的相关参数。

表1 变流器相关参数Tab.1 Parameters of converter

图5为直流母线电容减小为100 μF时采用传统的电流内环dq解耦、电压外环PI控制的双闭环控制策略所得到的电压仿真波形，在0.05 s突加负载后直流电压不稳定，系统抗负载扰动能力差。

图6为直流母线电容相同的情况下采用考虑网侧变流器负载电流补偿的非线性控制策略所得到的电压仿真波形，同样在0.05 s突加负载后直流电压的动态响应性较好，系统具有较好的抗负载扰动能力。

图5 基于传统双闭环控制策略的电压仿真波形Fig.5 Simulation wareform of voltage with the conventional double closed loop control strategy

图6 基于本文所提控制策略的实验波形Fig.6 Simulation wareform of voltage with the proposed control strategy

实验时直流侧目标电压设定为600 V，将电网三相电压380 V接到双PWM变频调速系统上。实验波形见图7，图7a为系统网侧变流器启动时电压和电流的阶跃响应，其中udc为阶跃响应时直流电压曲线，ia为阶跃响应时启动电流曲线。图7b为系统稳定运行时的波形，其中udc为直流母线电压曲线，uab为交流侧AB两相之间的线电压曲线，ia为A相电流曲线，经比较后可看出线电压超前线电流30°，从而分析得出电压电流同相位。图7c为由空载到突然加负载的过渡过程波形，其中udc为直流母线电压曲线，可以看出突然加负载时，母线电压变化很小，电压稳定；uab为交流侧线电压曲线，ia为交流侧相电流曲线，可以看出由于突然加入负载，电流明显增加，但电压变化较小，受负载的干扰小。图7d为光伏DC/DC变换器并入系统直流侧时，网侧变流器运行在逆变状态的波形，其中udc为直流母线电压曲线，uab为交流侧AB两相之间的线电压曲线，ia为A相电流曲线，经比较后得出线电压超前线电流210°，从而可以得出电压电流反相位。针对以上实验波形曲线的分析，采用网侧变流器负载电流补偿的控制策略和基于反步法的Lyapunov非线性控制策略能够得到比较满意的控制效果，使得双PWM变频调速系统具有良好的稳态特性和快速的动态响应特性。

图7 基于本文所提控制策略的实验波形Fig.7 Experimental waveforms of the proposed control strategy

7 结论

在当前全球能源缺乏的大背景下，电梯供电的能源需求量越来越大。针对上述问题，本文研究了支持新能源接入的双PWM变频调速系统，推导了三相电压型PWM整流器和永磁同步电动机在两相同步旋转坐标系下的数学模型，分析了双PWM变频调速系统的控制策略，并针对系统接入新能源时直流电压稳定度不高的问题和本身具有的非线性多变量耦合的特性，分别提出网侧变流器负载电流补偿的控制策略和基于反步法的Lyapunov非线性控制策略，利用数字信号处理器实现了支持新能源接入的变频调速控制系统。从实验的波形中可看出变频调速系统具有高功率因数、低谐波污染和能量可再生的优点，采用提出的控制策略后，提高了系统直流侧输出电压的稳定度和系统的动态响应。通过对实验结果的深入分析，本文设计的支持新能源接入的变频调速系统方案是正确的和可行的，在电梯行业具有非常广阔的应用前景。

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修改稿日期：2014-12-23

Research for New Energy Powered Solar Direct-drive Elevator Control System

ZHOU Min-jie，SHI Wang-wang，FENG Jun-yong
（Hydraulic and Energy Engineering College，Yangzhou University，Yangzhou225009，Jiangsu，China）

When the traditional elevator is powered by grid，the energy consumption is a serious problem.New energy powered elevator control system was discussed.A dual pulse width modulation（PWM）structure with advantages of high power factor，low harmonic pollution and energy reversible was adopted in the system.After mathematical models of the three-phase voltage-source PWM rectifier and permanent magnet synchronous motor in thedqsynchronous frame were established and analyzed，dual close-loop control strategy was applied.When the new energy changes，for better stability and faster response，a nonlinear control strategy based on backstepping method was put forward.The new energy powered experiment platform was developed，and experimental results validate the design of system scheme.

direct-drive elevator；new energy power；dual pulse width modulation；Lyapunov function

TM46

A

江苏省高校自然科学研究项目资助（14KJB470010）

周敏杰（1989-），男，硕士，Email：zhouminjie89@126.com

2014-08-16