超级电容器在电梯领域的适用性

超级电容器在电梯领域的适用性

袁志彬

浙江省特种设备科学研究院  浙江杭州  310000

摘要：超级电容器具有的特点以及电梯的安全问题，超级电容器在电梯节能以及其它领域具有光明的应用前景。并且随着超级电容器性能不断提升，超级电容器在电梯节能中的应用将发挥更大的作用，也必将成为电梯保护系统设计和电磁兼容问题的研究重点。

关键词：电梯；超级电容器；节能；应用

超级电容是近几年才批量生产的一种新型电力储能器件，它既具有静电电容器的高放电功率优势又像电池一样具有较大电荷储存能力，单体的容量目前已经做到万法拉级。同时，超级电容还具有循环寿命长、功率密度大、充放电速度快、高温性能好、容量配置灵活、环境友好免维护等优点。随着超级电容性能的提升，它将在电梯节能中发挥更大的作用。

1 电梯用超级电容器节能装置的原理

超级电容器电梯节能系统，包括一个DC/DC 充电模块、一个DC/DC 放电模块、DC/AC 模块、一个CPU 中央控制器、辅助电源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。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。

采用本系统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器中。根据电梯的速度、载重、楼层和高度与超级电容器的容量和电压有关参数设置超级电容器工作时的两个临界电压，电梯在发电运行时对超级电容器进行充电，当达到第一临界电压时DC/AC 模块工作并供控制箱辅助用电； 当进入第二临界电压后系统自动识别电梯运行状态进行工作，通过控制设备把储存在超级电容器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。工程采用零电流谐振式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。工程采用动态均衡电路，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 电梯用超级电容器节能的研究与应用

3.1节能方案

超级电容是一种新型储能器件。应用超级电容回收利用电梯制动电能的专利技术在我国取得新进展，成为最具发展潜力的电梯节能技术方案。电梯向上运送与向下运送的运送总量大体相当，驱动电动机经常在“拖动用电工况”与“制动发电工况”问短时交替工作，例如电梯满载上行时驱动电动机处于“拖动用电工况”，满载下行时处于“制动发电工况”。因此，回收利用电梯制动电能成为电梯节能降耗的关键措施与研究课题。

目前广泛使用的变频调速电梯有两种处理制动电能的方案：其一是设置制动单元把制动电能泻放，缺点是制动电能不仅全部浪费，而且制动单元放电发热会造成环境温度升高；其二是另设逆变屯路把制动电能再变换成三相交流电反馈至屯网，提高了电能使用效率，缺点是反馈电能的谐波对电网存在干扰问题，以及反馈电能的计量未得到供电部门的普遍认同，回收电费在一部分地区或部门不能兑现，影响了推广应用。

在节能电梯的电气结构中，变频器具有重要作用，在电梯驱动电动机处于制动发电工况时，制动电能反馈到变频器，经充放电控制单元向超级电容储能模块充电，将电梯的制动电能存储起来。在电动机处于拖动用电工况时，由充放电控制单元控制，先由超级电容储能模块供电，直至其放电电压到达规定值，然后再由交流电源整流的直流电供电。制动单元做过充电保护。受超级电容储能模块的容量限制，在特殊工况有可能出现超级电容储能模块充电电压到达规定值时电梯驱动电动机仍然处于制动发电状态，此时，由制动单元放电做过充电保护，最高充电电压被限制在制动单元的放电电压值以内。

2.2 超级电容结构电梯的功能

由于超级电容器设置于充放电控制单元的直流母线电容与交流电网之间，并且超级电容器设置了储能上限阈值和下限阈值，以提高电能的利用效率。因而超级电容器模块的功能包括回馈能量储能、功率输出补偿和辅助供电及UPS 紧急救援。

第一，回馈能量存储是指电梯在再生能量工况时，回馈到直流总线的再生能量被快速存储至超级电容器装置内。存储过程中的直流母线电压在控制作用下始终处于稳定范围内。另外，超级电容器装置在存储过程中的电压超过范围，需立即关闭双向DC-DC，打开来泄放电路泄放多余的能量。

第二，功率输出补偿是指超级电容器在电梯处于能耗运行工况状态下向直流母线输出功率补偿，达到再利用的目的。与此同时，直流母线电压在控制作用下处于稳定范围。如超级电容器装置的电压位于输出下限值范围，应立即关闭双向DCDC，退出功率补偿状态。

第三，辅助供电和UPS 紧急救援是指当超级电容储能装置的电压高于上限阈值，超级电容器装置为照明、制冷、控制等辅助系统提供220V 交流电。如电网停电，超级电容器装置可充当UPS 应急电源，为电梯提供电容，让电梯于就近楼层开门。

2.3电梯节能系统设计

由于超级电容器装置充放电过程的端电压变化幅度大，可采用双向DC-DC 变化电流限制充放电电流，利用升降压控制达到限制电压和变换电压的作用。基于辅助功能和UPS 紧急救援功能，应设计EPS 模块，在电网正常情况下，辅助系统有电网供电，在断电或超级电容器存储装置电能充足情况下，控制器启动逆变器，逆变器变为供电状态。在双向DC-DC 变换器选择上，基于设计成本考虑，应选择非隔离型双向DC-DC 变换器。为达到电压控制机电流限幅目的，双向DC-DC 变换器应采用双PI 控制，内环为电流环，加快充放电动态响应的同时限幅；内环为电压环，控制直流母线电压恒定。

综上所述，电梯用超级电容器节能装置作为一种全新产品，其节能、环保特点符合市场发展要求，前景十分广阔。

参考文献：

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[2] 超级电容器在电梯节能中的应用 [J]. 李秀珍.  电子元件与材料. 2020(01)

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[4] 基于超级电容器的电梯节能装置的研究初探 [J]. 李刚仁,曹智超,成亮,李钦轩.  能源与节能. 2020(01)