超级电容储能式电梯应用研究

超级电容储能式电梯应用研究

申识张斌

(沈阳市特种设备检测研究院沈阳市110010)

因为目前我国电梯在节能技术与谐波干扰等方面还存在一定不足，为了能够解决这些问题，笔者设计了一款超级电容储能式电梯。超级电容储能式电梯使用双向DC-DC变换器，可以完成能量储存与再利用，同时按照传统电梯运行实际情况，对电梯储能参数进行优化。仿真研究结果表明，本文所设计的超级电容储能式电梯具有良好回馈能量，可以节约36%能量，同时电梯运行速度与原转矩保持平稳，即本文所设计的超级电容储能式电梯可以保留电梯舒适性与安全性。

关键词：超级电容；电梯；参数选择

前言

伴随超级电容技术不断发展，电梯节能成为研究人员重点分析内容。超级电容凭借快速充放电、优良高低温性能、简单能量管理与寿命长等优势，得到广泛应用，但是其在电梯上研究还处于理论阶段，超级电容储能系统实际应用效果研究成果数量有限。基于此背景，推动我国电梯节能技术发展，降低电梯运行能源消耗量，对超级电容储能式电梯应用研究具有重要意义。

1、超级电容储能式电梯结构及功能

超级电容储能式电梯与当前电梯主要区别表现在，交流电网与直流母线之间存在超级电容储能式装置。为了能够提高电梯电能利用率，分别对超级电容储能上下限阙值进行设置，本文所设计的超级电容储能系统功能主要为：

1.1回馈电能存储

电梯在位于再生点电能状态之下，超级电容器组会迅速回馈再生能量，进而直流母线电压维持在510-680V范围内。一旦超级电容组端运行电压超过电梯系统运行电压额定上线，双向DC-DC变换器就会处于关闭状态，在这个过程中变频器就会开始释放泄放电路，将多余能量泄放出去。

1.2功率输出补偿

一旦电梯处于耗能运行模式下，超级电容储能式电梯内储能装置会输出额定功率，同时对电梯能量开展功率补偿，实现电能储存与再利用。在这个过程中点储能装置直流母线电压会维持在510-680V范围内。一旦发现超级电容器组电压低于额定电压，双向DC-DC变换器就会处于关闭状态，电梯功率补偿也会停止。

1.3辅助系统供电及EPS紧急救援

一旦电梯在常规运行时出现停电事故，超级电容储能式电梯内储能系统就会承担备用电源，实现紧急救援功能，并且超级电容器储能式电梯储能系统也会输出电梯运行能量，为辅助系统提供220V电压。

2、超级电容储能式电梯系统设计及建模

超级电容器组在充放电状态下，其电压变化范围较大，但是超级电容器组充放电电流受到限制。所以，本文在对超级电容储能式电梯系统变换电路设计内，使用限制电流变化幅度和提高电压形式完成系统电压变换。想要实现超级电容储能式电梯系统中供电功能与紧急救援功能，笔者设计了EPS模块。电网在正常运行内，辅助系统承担备用电源责任。要是电网停止供电，但是储能系统内具有充沛电能，逆变器就会开始运行。

双向DC-DC变换器拓扑主要分为两种类型，分别为非隔离型与隔离型，就控制阙值层面来说，储能装置对电压增益规定并不严苛，所以本文选择经济成本相对低廉与控制高效的非隔离型双向DC-DC变换器，同时对其建模与应用分析。就超级电容而言，常见数学模型主要有三个，分别为德拜电池模型、集总参数电路模型、传输线模型。集总参数模型将超级电容器等同于理想电容器，两个阻值偏差较大的等效电阻串联。

3、超级电容储能式电梯系统参数设计

超级电容储能系统参数设计主要从两个角度入手，分别为应用场合与成本。超级电容电压上下阙值在设计内，主要提高超级电容充放电效率，但是会降低充放电深度，缩短超级电容使用寿命。

处于考虑双向DC-DC变换器与超级电容器组之间配合问题，在减小储能系统经济成本情况下，确保变换器高效运行状态。为了能够实现电梯紧急救援功能，超级电容输出功率必须超过超级电容器组输出电流与牵引机拖动桥箱就近平层输出功率乘机。

4、仿真分析

超级电容储能式电梯功能在验证上，构建电梯系统模型，仿真参数如表一所示。

表一：仿真参数

电梯在重载与轻载运行过程中，电梯会自动进入再生能量回馈状态，双向DC-DC变换器处于Buck工作状态，VT1调制低于额定周期，VT2位于关闭状态，完成电梯双闭环控制。

按照仿真波形结果可知，超级电容储能装置在应用内可以实现电梯回馈能量储存和再利用。超级电容储能式电梯内储能装置在运行过程中，其直流母线电压会始终控制在5410-600V之间，一旦超级电容储能式电梯储能系统运行电压超过上下额定限值，就必须对电梯进行针对保护，完成超级电容储能输出与输入，确保牵引机与电磁转矩完成平稳运行。所以，超级电容在电梯内应用。对电梯稳定性与舒适感并不会造成任何影响。这也就表示，本文所设计的超级电容储能式电梯具有良好可行性。

5、结论

就超级电容储能式电梯仿真分析研究之后，得到以下几点结论：

第一，仿真结果表明，超级电容储能式电梯系统在应用内具有辅助系统供电与能量储存功能，并且实现紧急救援。

第二，按照超级电容储能式电梯耗能试验结果表明，超级电容储能式电梯在应用内具有较高电梯回馈能量，节能效果超过26%。

第三，和传统能量回馈电网节能型电梯相对比，超级电容储能式电梯节能效果可以提升6%，并且电网也会规避并网所带来的谐波干扰。按照谐波分析结果来说，超级电容储能式电梯对功率补偿内，谐波补偿效果得到显著改善，其可成为今后研究方向。

第四，处于电梯运行安全角度考虑，超级电容储能式电梯在今后分析研究内，应该将研究重点放在保护系统与电磁兼容问题上。

第五，DC-DC与变频器直流母线相连接，同时超级电容还具有单独充放电控制电路，传统电梯控制电路并不受到影响，电梯泄放电路也保留。所以，超级电容作为储能元件，直接与直流母线相连接，电梯传统运行性能并不会受到任何影响。

参考文献:

[1]陈霞,陈耀,高健,徐悦,刘洪晴,王震.基于超级电容储能系统的电梯微网电压波动控制策略研究[J].山东科技大学学报(自然科学版),2017,36(05):72-79.

[2]杨光.带有超级电容储能的永磁同步电机—电梯曳引系统[J].电子科技,2014,27(11):167-170.

[3]邓哲,周峰武,吕征宇.基于超级电容储能与电压型变流器的电梯能量回收系统效率优化控制策略[J].电工电能新技术,2014,33(02):22-28.

[4]邓哲,周峰武,金灵辉,吕征宇,戎萍.基于超级电容储能与自适应功率预测模型的电梯制动能量回收系统并网功率优化控制[J].电工技术学报,2013,28(09):205-213.

[5]申莎莎.用于电梯驱动系统的超级电容弹性储能系统的研究[J].山西大学学报(自然科学版),2012,35(03):515-519.