电梯用超级电容器节能的研究与应用

方会松

浙江省特种设备科学研究院 浙江杭州 310000

摘要：目前，我国需要大量的能源，但由于自身的能源约束，能源供应形势越来越严峻，因此我国全面实施可持续发展战略迫在眉睫，要进行到底的节能减排。节能电梯的应用可大大降低电梯的能耗，具有显著的经济效益和社会效益。目前，电池储能作为一种新型的节能方式，已成为电梯节能的研究热点。但是，由于储能和能量释放模块使用的技术不同，电池的充放电时间和效率也不同。本项目的目的是开发一种新型的超级电容节能装置，利用超级电容的特性快速储电，实现电梯的安全运行和节能降耗。

关键词：电梯；超级电容器；节能；应用

前言

众所周知，当电梯处于重负荷下降、轻负荷上升、减速制动时，牵引电机处于发电状态。如何在不影响电梯正常运行的情况下，对这些状态下电梯发出的电能进行再利用，是每一个电梯节能技术研究人员都需要考虑的问题。在现有的技术中，主要有三种解决方案:1)功率反馈逆变器技术;2)电池存储;3)超级电容器存储。本文对超级电容器在电梯节能中的应用进行了初步研究。

1、电梯用超级电容节能装置的原理

超级电容电梯节能系统(如图1)，包括一个DC/DC充电模块、一个DC/DC放电模块、一个检测控制模块、DC-AC转换模块、电磁干扰滤波模块、电源控制模块和至少一个超级电容器组件组成。其中，超级电容器组件同时与充电模块和放电模块连接，充电模块和放电模块分别与直流母线连接，充电模块和放电模块各自连接有一个脉冲宽度调制变换控制电路。当检测控制模块检测到市电停电时，检测控制模块发出指令，电源控制模块开始向电梯控制柜和辅助电源供电。控制系统中包括有一个超级电容器组件，超级电容器组件中包括有两个以上的超级电容器单体，还包括有电压均衡电路、控制电路、温控装置，超级电容器的单体采用串联，或者并联，或者混联的连接方式，使用寿命达到100万次左右。

图1，超级电容电梯节能系统

采用本系统就可以把电梯轻载上行或重载下行时产生的电能通过控制设备储存在超级电容中，当设备进入负重运行时再通过控制设备把储存在超级电容中的电能回送给变频器直流母线，由于回送的电能是直接给变频器直流母线由设备自身使用的，所以对电网没有任何干扰，达到绿色、环保、节能的目的。

2、电梯用超级电容器节能装置的关键技术

目前主要采用的普通型双向DC-DC变换器能够实现在较宽范围内的电压变比，先逆变再整流，然而开关管使用过多，造成其结构和对开关管的控制和相互切换将更复杂，电能转换次数过多导致其效率降低。并且因为使用了多个开关管，通态损耗和开关损耗都相应增大，过多的能量会损耗在变压器、开关管和电路线路中。本项目采用零电流谐振式DC-DC转换器可由普通DC-DC单元设计改进而成，其结构简单，元器件少，成本较低。由于电能转换次数较少，变换器效率较高，而且要求每个开关器件均在零电流时导通与关断，这样开关损耗只与导通电流有关而与开关频率无关。该转换器为谐振转换器，开关在零电流处转换，真正消除了开关损耗。

由于超级电容器单体电压低，容量参数分散，这使得超级电容器串并联成模块时，必须采用电压均衡电路才能保护模块的安全和正常工作。传统的电压均衡电路采用电阻耗能法，要达到延长使用寿命的目的，就需要采用温升更低，均衡效率更高的均衡电路。本项目采用动态均衡电路，其原理是通过实时对单体超级电容器的电压进行采样，通过CPU智能识别每个超级电容器单体工作状况，通过电路控制，实现由电压高的超级电容器对电压低的超级电容器充电，达到电压均衡效果。其过程没有能量浪费，发热量极小，所以，在超级电容器模组充放电循环时，温升较低，因此有效提高了串联电池组中各电池的均衡性、使用寿命，以及节能效果。

3、试验方法

3.1试验场地选择

随机选择某小区内9栋1单元16号电梯，同时选择该小区1台相同型号相同品牌的电梯作为参照电梯，电梯品牌为德国蒂森克虏伯电梯有限公司，载重量1000kg，额定速度2.0m/s，层站为19层19站，电机功率13.1kW，提升高度57m，采用永磁同步无齿轮曳引机。

3.2测量仪器

测量仪器：YORITSU钳形功率计，型号为：KEWSNAP200；法国产电能质量分析仪，型号为：CA8335。

3.3测试方法

对选定的电梯1台加装超级电容器节能装置，参照电梯不加装。调试完毕后，按五种工况进行试验：0%负载、25%负载、50%负载、75%负载、100%负载分别记录下上行、下行时的2台电梯的工作电压、平均工作电流、平均有功功率、平均无功功率、平均视在功率、输入有功电量等数据，并委托湖南省计量院对所选择的2台电梯进行能耗及电压、电流畸变的检测。

3.4试验数据

3.4.1节能效果测试

将测得的数据制表，如表1所示。

表 1 测试节能情况表

从上表可以看出：电梯在空载和满载时节电率是最高的，可以达到31%以上。

3.4.2谐波测试

安装电梯用超级电容器装置后，电梯运行时的电压谐波U-THD的平均值和未安装电梯用超级电容器装置时相同；电流谐波的平均值I-THD比未安装电梯用超级电容器装置时小3.3%。

3.4.3超级电容器试验数据

测量超级电容器单体电压值如表2所示。

表 2 电阻耗能法和动态均衡法下超级电容器单体电压值

从表2可以看出，经多次循环试验后，采用电阻耗能法单体电压间极差为0.21V，采用动态均衡法超级电容器单体电压间极差为0.06V，方差分别为0.094V、0.018V。究其原因，是因为动态均衡电路不同于耗能法均衡电路，其原理是通过实时对单体超级电压采样，通过CPU智能识别每个超级电容器单体工作状况，通过电路控制，将电压高的超级电容器实现对电压低的超级电容器充电，达到电压均衡效果，不会产生个别超级电容器单体过充过放现象，其过程发热量极小。所以，在超级电容器模组充放电循环时，温升较低。可以保证超级电容器的长时间使用。

3.5试验结论

a)在相同的电梯运行工况下，加装了超级电容器节能装置的电梯与不加装的相比，节电效果明显，而且在空载和满载的工况下节电率最高，可以达到31%以上；b)5种模拟工况下的综合节电率为24%，电压谐波相同，加装了超级电容器节能装置的电梯比不加装的电梯电流谐波减小了3.3%；c)采用动态均衡法代替电阻能耗法均衡电压，均衡效率会更高，同时，在一定程度上延长了节能装置的使用寿命。

4、讨论

检测结果显示，采用超级电容器节能系统后，电梯在空载运行和满载运行的节电率可达到31.2%以上，模拟工况的平均节电率也可达到20.6%。电压总谐波畸变率基本无变化，电流总谐波畸变率减少3.4%，一定程度上，避免了电能在回送时因逆变造成的高次谐波对电网造成的冲击，且由于超级电容器节能系统输出的是平滑的直流电并且返回至变频器直流母线上，故不会对电网造成冲击和干扰，也不会出现电表倒转的情况，弥补了能量直接回馈到电网带来的缺点，能更好地改善电网的供电性能。采用动态均衡法代替能耗法均衡电压，均衡效率更高，温升更小，很好地延长了储能单元的寿命。采用超级电容器取代传统的蓄电池实现了应急平层的功能。因此，利用超级电容器快速存储电能的特性实现电梯的安全运行与节能降耗切实有效。

5、结语

前人已对建筑节能技术进行了大量研究，电梯用超级电容器节能技术的研究才刚刚开始。本文正是能够站在前人研究的肩膀上，才能完成本项目的研究，在此对本文提供帮助的各位前辈和朋友表示感谢！

参考文献： ［1］翟楠松，张东来，徐殿国，等.超级电容国内外研究及应用现状［J］.仪器仪表学报，2007，28(8)：1-4.

［2］曹智超，罗正卫，李钦轩.电梯用超级电容器节能的研究与应应用［J］.建筑电气，2013(7)：30-33.