超级电容在电梯节能中的应用前景探讨

王冲富

浙江省特种设备检验研究院浙江省杭州市310012

摘要：电梯作为位能性负载，节能潜力巨大。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等问题，设计了基于超级电容储能装置的超级电容节能型电梯系统。通过双向DC－DC变换器实现电梯回馈能量的存储与再利用，利用紧急电源供给（EPS）装置实现辅助系统供电及紧急救援功能；同时针对电梯系统，对超级电容储能装置参数设计进行了研究，并给出了参数选择方法。仿真及样机实验结果表明，超级电容节能型电梯能够实现回馈能量的有效利用，节能效果提高26.0%。

关键词：超级电容；电梯节能；应用；前景；分析

引言：电梯为我们生活带来巨大便利的同时，也带来了相当大的负面影响，其中最重要的就是能耗问题。在现代高层建筑中电梯已经成为仅次于空调的第二能耗大户，2010年年末，全国每年电梯耗电总量将达到430亿千瓦时以上，耗电量十分巨大。而且电梯的能耗无法回收会造成大量热量的流失，增加机房的温度，给散热带来很大的麻烦，为了散热，还需要装空调等散热设备，这会导致能量的二次浪费。因此，如何将电梯运行中的能量进行回收、节约能源已经不仅仅是设计师们需要关注的话题，也是全社会急需关心和了解的。有人估算过，如果每年可节约近80亿度电，按每度0.5元价格计算，每年可节约近40亿元，节能效益十分可观。

1.电梯能量回馈技术与其特点分析

驱动系统是电梯技术中典型的运动控制系统，它控制电梯的起动、加速、恒速运行以及减速等运动方式。目前驱动系统采用的成熟变频调速技术淘汰了各类交流双速驱动系统、取代了直流无齿轮驱动，不仅使电梯的运行性能更加优越，同时也有效节约了电能。如何提高驱动系统的效率已经成为电梯驱动特性应用研究的一个重要方向。电梯系统在轻载上行（载重量不足额定值的一半）和重载下行（载重量超过额定值的一半时）两种状态运行时，曳引机作为发电机运行，此时发出了再生电能。作为客用电梯，在每天的正常运行中上述情况频繁发生，电梯中的能量回馈装置便有了可观的回馈电能用来回收。一般来说，电梯额定速度越快、提升高度越高，节能效果越显著，收回成本也越早，反之则节能效果不明显，收回成本时间较长，因此在低速电梯中应用较少。采用逆变器将再生能量回馈到电网，当曳引机处于电动状态时，它与传统的交直交变频器工作方式相同；当曳引机处于发电状态时，通过左侧的逆变器将电梯再生能量回馈到电网。由于逆变PWM的脉宽调制，回馈的能量中其电流谐波畸变率约在5%～7%之间。这些高次谐波对电网及其用电设备都有不可忽视的影响，从而产生对电源、环境的电磁干扰（如增加电机铁损、铜耗，提高电机温度等）。能量回馈型节能电梯已有较为成熟的技术，但因其价格因素以及对电网的影响，推广尚有一定难度。采用电池吸收回馈能量电池组通过双向DC－DC与变频器的直流母线连接，当曳引机处于电动状态时，电池进行恒流放电；当曳引机处于发电状态并且直流母线电压超过某一预设值时，电池开始充电并且充电电流可以根据曳引机回馈功率进行控制。该方案可回收能量有限，并且电池需要按期更换，虽理论上存在可行性，但应用并不广泛。

2.超级电容的涵义与特点

超级电容器，也叫功率电容器、双电层电容器，具有许多蓄电池所不具备的优点，是近年来发展起来的一种新型储能装置，正在逐步进入到社会各个领域。具有能量密度高、功率密度高、无污染、循环使用寿命长、工作温度范围宽等特点，在重用电源、电动汽车等领域己经得到了较为广泛的应用。超级电容器兼具蓄电池能量密度大和普通电容器功率密度高的优点，具体而言：（1）循环使用寿命长，超级电容器深度充放电时的充放电循环次数可达50万次以上，比其他储能装置寿命长很多。（2）功率密度高。超级电容器具有很高的功率密度，约为铅酸蓄电池的二十多倍。特别适用于各种需要大功率放电的场合。（3）充放电速率快。由于超级电容器内阻不大，因此充放电速度快、时间短，有时可以在数十秒时间甚至更短时间内就完成整个充放电过程。（4）高低温性能佳。与其他储能装置相比，超级电容器在工作运行过程中，并不像充电蓄电池那样产生激烈的化学反应，继而对环境温度的要求甚高。相反超级电容具有良好的高低温性能，即便在-40℃—+70℃温度的范围内工作，也不会出现性能降低等现象。

3.超级电容在电机发电状态中的应用

判断曳引机处于发电状态的标志是规则电机要求功率小于零，其控制规律是：在直流母线电压达到上限值和电容电量未达到最大值，这两种情况同时发生的条件下，超级电筒开始充电，充满后，直流母线开始放电。曳引机回馈功率决定充电电流的大小，要确保充电电流在额定范围内，才能确保电梯的正常运行。近几年，行业内工程技术人员针对曳引机的运行状态，在不断探究电梯节能系统的具体控制策略，采用方法包括交直交通用变频器的Simulink仿真。综上所述，曳引机处于电动状态时，如果电容电压超过135V，双向DC-DC开始工作模式，控制方法包括两种：一种是超级电容有限放电，闭环控制双向DC-DC，使其电压保持恒定值，当超级电容器电压降至DC-DC时停止工作；另一种是超级电容横流放电，可以人为将这一数值设置为一个恒定值I，对双向DC-DC进行闭环电流控制，当超级电容器电压降至135V时方可停止工作。

超级电能在我国已经逐步得到广泛应用。上海虹桥开发区的在建建筑-中国博览会会展综合体，将在其需要的400余部电梯中，安装200多部超级电容电梯。充分利用超级电容能源转化率高，散热性能好、不怕水的优势。据技术人员计算，依据超级电容高效节能的特点，其成本在3～5年内就可以用节省的电费收回。万一碰上停电或者故障，超级电梯中的存点仍然可以维持通风、通信和照明的要求，将节能点滴变身为应急电梯。近年来，数名专家在对“超级电容节能电梯”进行多次鉴定，得出结论：超级电容凭借其较高水平的节能技术，将会取得很好的市场前景，受到更多人的好评与青睐。

总结：超级电容作为一种新型电力储能器件，不仅继承了静电电容器较高放电功率的优势，又可以发挥电池一样储存大量电荷的功效。目前，在我国，单体的容量已经可以做到万法拉级。超级电容在电梯中具有良好的应用效果，具有循环使用寿命较长、功率密度大、充放电快而不至于使电机温度过高、耐高温、容量配置灵活等优点。超级电容性能的不断提升，将会使其在电梯节能中发挥更重要的作用。同时，超级电能在大量节省电能的同时，有助于实现我国对资源浪费的有效控制，符合“资源节约型，环境友好型社会”的发展要求。在世界范围内，呼吁在节能电梯中应用超级电容，具有很重要的现实意义。

参考文献：

[1]林清华，张琴，康新.基于双能量存储模式的电梯节能装置研究[J].电气应用，2018，37（02）：70-80.

[2]肖春华，李明仕.基于超级电容和最大功率跟踪法的电梯节能系统设计[J].科技与创新，2017（24）：34-36.

[3]沈俊发.基于混合拖动的电梯节能装置的研发[J].黑龙江科技信息，2016（24）：71.

[4]韩伟伟，黄绍伦，代清友，万健如.基于隔离双向DC/DC变换器的电梯节能系统建模与仿真[J].电气自动化，2015，37（04）：7-9+21.

[5]潘树伟.新型节能回馈电容在电梯变频器中的应用[J].变频器世界，2013（11）：92-93+101.

[6]周小杰，曹大鹏，阮毅.超级电容储能装置在电梯中的研究与实现[J].电力电子技术，2011，45（01）：101-103.