基于双电层超级电容器的电梯节能及应急平层系统*

邓谊柏，陈 挺，黄家尧，李婷婷，阮殿波

（1.宁波中车新能源科技有限公司，浙江宁波 315112；2.浙江大学电气工程学院，杭州 310027；3.宁波大学机械工程与力学学院，浙江宁波 315000）

0 引言

当今社会，电梯已经成为人们日常工作、生活中的重要工具，也是城镇化建设中必不可少的重要建筑设备之一。随着中国城镇化建设的逐步发展，房地产市场对电梯有着刚性需求。同时，我国人口老龄化问题使得老年群体对于电梯的需求逐步增加，加快推进老旧小区加装电梯的政策进一步刺激了电梯的市场需求[1]。2018年，中国电梯保有量已经达到了627.8 万台[2]，如图1 所示，未来的旧电梯的更新需求逐渐增多，促使了电梯市场进一步扩大。此外，在电梯保有量飞速增长的同时，电梯安全事故日益频繁，严重影响人们使用电梯的舒适度和安全性，特别是会对高血压、心脏病等人群的安全产生威胁。因而，电梯的节能与安全运行极为重要。

图1 中国电梯市场情况

在电梯工作过程中，当处于轻载上行和重载下行模式时，曳引机作为发电机工作，将重力势能转化为电能，导致直流母线电压升高，这部分电能可以收集储存以重复利用。目前对于这部分电能的处理主要有两种方式：电阻消耗式及馈网式。电阻消耗式完全无法利用曳引机产生的电能，同时，由于电阻耗能过程会产生热量，机房中需要额外配置空调来优化机房环境，导致了额外的耗能。馈网式直接将曳引机产生的电能回馈到交流电网中，但是由于电梯实际运行过程中负载的不确定性很大，导致曳引机产生的电能质量低，无法被楼宇内的其他耗电设备直接利用，且容易对电网造成冲击及谐波污染[3]，电梯数量越多，对电网的冲击及谐波污染越严重。

为解决电梯能量储存问题，有些研究采用蓄电池作为储能装置[4]，近年来，随着超级电容技术的发展，器件成本及性能有了显著的改善，采用超级电容储能的电梯应急装置受到了广泛关注[5]。超级电容器具有比功率高、循环寿命长、低温特性好等优点[6]，能够很好地克服曳引机发生电能质量差的缺点。超级电容器将曳引机产生的电能吸收、存储后，通过DC/DC输出高质量的电能供电梯使用，从而达到节能的目的。另外，超级电容器拥有百万次循环寿命，基本可以覆盖电梯10～15年的服役寿命，减少了后期的维保成本。超级电容器具有功率密度大、能量密度小的特性，在电梯供电电源突然失电时，超级电容储存的能量足以使电梯就近楼层平层并开门。因此基于节能和安全的角度，超级电容非常适合用于电梯设备[6]。

本文设计了一套基于双电层超级电容器的电梯节能系统，在电梯空载上行和满载下行的过程中吸收电能，在电梯满载上行和空载下行过程中释放电能。该系统安装简单，无需对原变频设备进行改造，在交流电网突然失电的情况下，还可以作为后备电源提供电能，使得轿厢就近平层，保障乘客安全。

1 双电层超级电容器工作原理

双电层电容器（EDLC, Electrical Double-Layer Capacitor）是一种新型的储能元件，它通常是通过电极与电解液形成的界面双电层来储存电荷从而实现储存能量的功能[7-8]，其反应过程如图2所示，由于其充放电过程中不存在化学反应，因此充放电效率高、比功率大、循环寿命长、温度特性好，且对环境友好，是一种新型储能装置。目前市场上的EDLC单体容量从几十法拉到上千法拉不等，在电动客车、港口机械、轨道交通等领域均有一定的应用[9]。

图2 双电层电容器工作原理

与电池相比，虽然EDLC比能量小，但是功率密度大，适合大电流频繁充放，能够很好地适应电梯曳引机发出的低质量电能，同时其高达百万次的循环寿命也能较好的匹配电梯的使用寿命，EDLC与电池单体的对比如表1所示。

表1 EDLC产品与电池性能比较

2 电梯节能及应急平层系统设计

2.1 节能原理

常规垂直电梯的基本组成如图3 所示，当变频器（整流器+逆变器）为双向型时，属于馈网式，曳引机产生的电能直接回馈至工频电网；当变频器为单向型、配置有泄放电阻时，属于耗能式，曳引机产生的电能直接通过电阻进行消耗。

电梯节能的基本原理是利用了平衡重与轿厢之间的势能差，通过曳引机将这部分势能转化为电能。

图3 电梯基本组成

设轿厢的质量为M1，额定载重为M2，实际载重为M3，平衡重质量为M4，轿厢运行高度为h，根据电梯设计标准，M4＝M1+KM2（K＝0.4～0.5），不考虑其他损耗，则在电梯运行过程中，产生的势能差为：

通过曳引机发生或消耗的电能（不考虑损耗）为：

由上式可以看到，对于一部电梯来说，K、g、M2均为常量，因此其运行过程中产生或者消耗的电能仅与实际载重及运行高度有关，且呈正比关系。当电梯满载上行（M3＝M2）或者空载下行（M3＝0）时，曳引机反馈的电能最大。

2.2 系统组成

双电层超级电容节能系统框图如图4 所示，主要由双电层超级电容器、双向DC/DC、泄放电阻、CMS 组成，各部件并联在整流器和逆变器之间的直流母线上。

根据电梯节能原理可知，当电梯重载上行或者轻载下行时，曳引机发生电能，导致直流母线电压升高，节能系统检测到母线电压升高后，DC/DC 启动，对超级电容充电，稳定母线电压；当电梯轻载上行或者重载下行时，曳引机消耗电能，导致直流母线电压降低，节能系统检测到母线电压下降后，DC/DC 启动，超级电容对外放电，与工频电网共同稳定母线电压，从而减少取自电网的电能，达到节能目的；当超级电容或者DC/DC 等部件发生故障时，开关S1吸合，节能系统切换到泄放电阻模式，曳引机发生的电能通过电阻消耗，保证电梯正常运行。

图4 超级电容节能系统框图

2.3 节能系统能量计算

双电层超级电容器的能量Q计算公式为：

式中：C为电容值，F；ΔU为电压变化量，V。

则节能系统需要的双电层超级电容容量：

式中：k是双电层超级电容器的充放电效率，通常k≥95%。

需要注意，由于受到DC/DC 工作电压的限制，双电层超级电容器通常会在额定电压和半电压之间使用。

2.4 工作模式

2.4.1 电梯待机

节能系统在升压状态，将超级电容电压升压从而维持变频器直流母线电压稳定在DC600 V，直到超级电容电压欠压为止。电控柜的全部功率都由节能系统提供，达到尽快释放超级电容能量的目的，使其在电梯运行时有足够的空间回收能量。

2.4.2 超级电容吸电

当电梯轻载上行（M3＜M4）或重载下行（M3＞M4）时，曳引机发电，节能系统检测到直流母线电压上升后开始吸收电能，以稳定母线电压。节能系统对超级电容侧电流执行严格限流，比如200 A，使充电电流严格小于或等于200 A。

如果节能系统能完全吸收再生能量，节能系统将维持变频器直流母线电压在DC620 V；如果不能完全吸收，则直流母线电压持续上升直到开关S1吸合，额外能量由泄放电阻消耗掉。

2.4.3 超级电容释电

当电梯重载上行（M3＞M4）或轻载下行（M3＜M4）时，曳引机耗电，节能系统检测到直流母线电压下降后开始对外放电，以稳定母线电压，但严格限制超级电容端放电电流，最大不超过200 A。

如果电梯需求功率小于节能系统提供功率，则由节能系统提供全部功率，变频器直流母线电压维持在DC600 V；如果电梯需求功率大于节能系统提供功率，则节能系统提供部分功率，变频器直流母线电压由电网电压决定。

2.4.4 应急平层

关于电梯的应急平层功能，已经具有部分应用的案列，其功能主要是当电梯在运行中突然发生断电后该系统自动启动使轿厢在就近层站停靠，层轿门开启，乘客即时安全疏散。然而，如果系统考虑不当，反而会引起电梯出现新的问题。2001年和2003年分别就发生了2 起由于应急平层装置引发的电梯事故[10]。

本方案设计的应急平层功能主要是从前端供电侧进行优化。市电停电而电梯待机时，节能系统给电梯提供全部功率，并将失电信息传输给电梯控制系统，电梯将停止召唤请求，打开轿门，停止工作；电梯运行状态时，节能系统向变频器直流母线供电，并将失电信息传输给电梯控制系统，电梯应立即减速并停泊至最近楼层，停止召唤请求，打开轿门，停止工作。不论是何种状态下停电，乘客都没有剧烈的停顿感，不会立即感受到停电的恐惧，电梯均会逐步减速停止，防止乘客人身事故，提高乘客乘坐体验感。

2.5 样机试验

为验证本系统实际节能效果，研制了一台样机，样机实物如图5所示，并将本系统安装到某楼宇的机房内进行连续7天试运行。运行结果如图6所示。

图5 样机外观图

图6 测试结果

从图中可以看到，随着本超级电容节能系统的介入，电梯耗电量有明显的下降，平均节电率在30%以上。由于实验电梯本身带有耗能电阻，在节能系统介入前后，使用测温枪分别对电梯本身电阻进行了温度测量，数据显示，耗能电阻温度从节能系统介入前的71.8 ℃下降到了27.4 ℃，有效改善机房温度环境，降低对机房空调功率的需求，有利于进一步降低电梯机房能耗。

3 结束语

本文设计了一套基于双电层超级电容器的电梯节能及应急平层系统，该系统可以吸收电梯运行过程中曳引机发生的电能，并在电梯耗电时对直流母线进行馈能，既降低了电梯能耗，又避免了对工频电网的谐波污染，系统安装简单，可靠性高，经过样品试验，节电率大于30%，节能效果良好。