超级电容在电梯节能技术中的应用

刘伟杨丽霞

浙江省特种设备检验研究院浙江杭州310000

摘要：我国建筑物的能耗约占全国总能耗的28%左右。其中电梯的用电量仅次于空调，远高于照明、供水等的用电量，电梯的能耗已经引起业界高度重视，因此电梯的节能具有非常重要的现实意义。电梯的耗电主要来自于驱动轿厢升降的曳引机，电动机拖动负载消耗的电能占总耗电量的70%以上。因此研究开发高效能的电机拖动系统，是电梯节能的关键。本文分析了超级电容在电梯节能技术中的应用。

关键词：超级电容；电梯节能技术；应用；

随着新材料电池、超导和超级电容技术的发展，储能技术在电梯节能上应用成为新的研究热点。其中，超级电容因其具有循环寿命长、充放电速率快、高低温性能好、能量管理简单和环境友好等优点，在新能源、电力系统和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。

1主要内容

随着我国现代化建设的发展，电梯被广泛应用于商务写字楼、高层住宅小区等人们日常进出的场所，其用电量占这些高层建筑物总用电量的17%～25%以上，仅次于空调用电量，且高于照明、供水等的用电量。但是，电梯节能问题却长期受到社会忽视。电梯向上运送量与向下运送量大体相当，驱动电动机经常在拖动用电工况与制动发电工况之间短时交替工作。电梯在运行过程中的功率变化幅度很大，因而会对电网造成较大冲击，尤其是在能量回馈时，对用户配电系统造成较大的扰动，危害电力系统的安全运行目前电梯断电应急平层系统的后备电源多用蓄电池，普通电梯应急平层装置中蓄电池的充电效率为几至十几小时回充95%的电量。当外部供电电网出现频繁跳闸的现象时，蓄电池的电容量将不能确保电梯应急到平层位置，而且增大蓄电池的电容量会增加应急平层装置的成本，不能从根本上解决充电时间的问题。同时普通蓄电池并不能做到完全的免维护，超期将失效，需要定期更换，以确保蓄电池电容量的充足。超级电容器的充电周期仅为几十秒，即使在频繁跳闸情况下也能快速回充电能，确保电梯能应急到平层位置，超级电容完全免维护及寿命长的特点提高了电梯应急平层装置的可靠性和降低成本。

2超级电容在电梯节能技术中的应用

2.1建模及参数设计

（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:一是回馈电能存储:当电梯处于再生电能工况时，回馈到DCBus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510～680V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，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。二是功率输出补偿: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始终稳定在510～680V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。三是辅助系统供电及紧急救援: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，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220V交流电供给照明、通风、控制等辅助系统。

（2）超级电容储能系统设计及建模。为实现上述三种功能，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。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并联之后再串联一个阻值较小的等效电阻，适合建模分析。为实现电压控制及电流限幅，对于双向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。

2.2超级电容应急平层的储能分析。目前的超级电容单体电压都比较低，大约只有1V~3V，长时间在过压环境中工作会导致超级电容内部电解质分解，以致损坏或缩短其寿命，因此要将多个单体超级电容串联或并联构成超级电容储能组。大多数电梯的发动机采用的是永磁同步曳引机，在势能释放运行的状态下，永磁同步曳引机处于发电状态，轿厢与对重整体释放的重力势能将会转化为电能回馈给主回路，这部分能量就称作再生能量。一般处理电梯再生能量的方式有两种，一是回馈电网，二是利用储能技术储存起来。目前大多数电梯采用回馈电网技术，但采用传统的半控型晶闸管控制模式会带来谐波干扰，采用事件管理器来控制波形又会增加电梯的整体运营成本。故用电量一般采用电表记数，回馈电量再利用时仍被认为是一次电能，作为电梯所有者并不想投资更多的成本却没有丝毫的收益。采用超级电容组回收利用电梯运行时的再生能源，不仅能有效避免电能反馈时的谐波干扰问题，而且整个回收再利用的过程都在电梯装置的内部进行，安全节能。

2.3系统控制方式。在建立的双向直流变换器的数学模型中，输出滤波电感及电容的寄生电阻阻值很小，可知系统为一个小阻尼二阶系统，在转折频率附近会有振荡，且相角裕度小，系统的稳定裕度小。由此可见该系统在开环状态下性能较差，无法保证输出电压幅值和电流稳定，因此必须采用闭环控制，以保证系统中各种工况条件下均能输出稳定的电压和电流。控制系统采用电压外环、电流内环的双闭环串级控制结构。其中，电流环开环稳定比较重要。在系统启动或其他暂态情况下，当电流环调节器饱和时，电流环运行在开环状态，若电流环不稳定，则系统容易出现过流等问题，从而降低系统总体性能。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，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。

此处根据双向直流变换器的超级电容器储能装置以及电梯的运行的特点，控制超级电容器的充放电，证明了其在回收利用电梯制动能量及平衡直流母线电压方面的应用。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。

参考文献：

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