一种低成本电梯节能控制技术

2022-09-11

一、引言

电梯在制动时会产生大量能量, 传统上通常采用两种方案进行处理。一种是采用制动电阻消耗, 这种方案会造成能量的巨大浪费[1];另一种是采用先进的逆变技术将这部分能量回馈到电网[2], 但是这种方案或多或少地会对电网产生谐波污染, 并且用户无法向电网卖电, 甚至回馈电网的电也要收费, 用户无节能收益, 积极性不高。

近年来, 基于能量存储的节能系统被提出, 这种类型的节能系统在电梯曳引机处于制动状态时存储能量而在曳引机处于电动状态时释放能量。天津大学的万健如提出将超级电容组作为存储装置经过接触器直接并联到变频器直流母线上。其方案的缺点在于超级电容放电时其工作电压要在母线电压之上, 导致超级电容串联单体数目过多, 成本高。文献[3-5]中提出了基于“双向DC/DC+超级电容”结构的电梯节能系统, 取得了良好的节能效果, 但这种拓扑在选择超级电容时还是基于吸收全部的电梯制动能量, 仍然具有成本高的缺陷。

以上所提出的方案多需要大容量的电池/超级电容以获得足够的存储空间, 因此成本普遍很高。在此基础上, 本文提出了一种既有双向DC/DC和超级电容, 又有制动电阻的新型电梯节能系统。该节能系统仅需要小容量的超级电容, 因此具有成本低的优势。

二、系统结构

超级电容通过Buck-boost型双向DC/DC并联到直流母线, 解决了超级电容电压与直流母线电压不匹配的问题, 所需配置的超级电容容量小, 造价低。制动电阻通过制动单元并联在变频器直流母线, 吸收了超级电容无法回收的回馈能量。

三、成本分析

为了方便分析计算, 本文中涉及的电梯工况均按如下给出:电梯轿厢质量1200kg, 额定载重量1000kg, 对重质量1700kg, 速度1.75m/s, 加速度0.8m/s2, 加加速度1.8m/s3, 楼高30m, 10层。电梯按照图2所示的情况运行:顶层到次顶层电梯运行1层;次顶层到中间层运行3层;中间层到次底层运行4层;次底层到底层运行1层, 在此基础上循环运行。开机前进行5min的自检, 其他楼层间歇时停6s方便乘客进出轿厢。

本文中电梯寿命按10-15年计算。电费价格pe按照民用电0.55元/度计算, 市场上超级电容的价格pc为120元/k J, 双向DC/DC价格pD为400元/kw, 制动电阻价格pR为60元/kw。给定负载工况下电梯曳引机产生的最大尖峰功率为12.77kw, 据此双向DC/DC和制动电阻功率pD、pR都选为13kw。

1. 传统方案的成本分析

按照超级电容能够吸收一个循环工况下的全部制动能量原则匹配超级电容时, 应遵循最大原则, 即超级电容至少应该能够吸收0%负载工况下的全部能量w0%。用户购置节能设备成本p1为:

代入数值得到p1=13138 (元) 。

2. 本文提出方案的成本分析

按照本文提出的超级电容只吸收一个循环工况下的部分制动能量, 其他能量由制动电阻消耗的原则匹配超级电容。在节能系数为k的条件下, 用户购置节能设备成本p2为:

代入数值得到p2=5334k+5980 (元) 。

3. 两种方案对比分析

从两方案的成本函数p1、p2中容易看出, 当节能系数从0到1变化时, p2始终小于p1, 说明本文提出的方案与传统方案相比, 具有成本上的优势。注意, 本文中当k=1时, 并不代表匹配的超级电容能够回收全部能量, 而是能够吸收平均能量 (88.9k J) 。所以按照本文提出的方案匹配的超级电容肯定要比传统方案中的规格小, 价格低。

四、仿真分析

当电梯曳引机处于制动状态并且超级电容电压未达到上限时, 双向DC/DC工作于降压模式, 为超级电容充电。在此过程中如果出现超级电容满电的状况, 则将制动电阻切入到电路中消耗过剩能量。

当曳引机处于电动状态并且超级电容电压未降至下限时, 双向DC/DC工作于升压模式, 超级电容放电。如果超级电容电能释放到下限, 则双向DC/DC停止工作, 由电网为曳引机供电。

超级电容组工作电压在135-270V, 在曳引机电动时提供曳引机所需功率, 直至放电至电压下限。假设超级电容组电压在循环工况开始前为220V, 由曳引机输出转速及转矩波形、超级电容充放电电流及端电压波形、曳引电机功率波形与电网输出功率波形关系可以看出, 超级电容在电动初始状态时提供全部能量, 其余能量由电网提供, 节能效果明显;发电状态时回收了部分回馈能量, 其余能量在制动电阻上消耗掉。