楊 光

(北方工業(yè)大學(xué)電力電子與電力傳動(dòng)北京市工程研究中心，北京 100144)

電梯作為日常生活必需的電氣裝置，為人們帶來便利。近些年來，永磁同步電機(jī)作為電梯的曳引電機(jī)以其優(yōu)良的控制性能得到了市場(chǎng)的高度認(rèn)可［1－2］。而隨著能源問題的日益突出，節(jié)能已成為當(dāng)今時(shí)代的大主題。電梯是日常生活中的大型能源消耗裝置，其曳引電機(jī)工作特性為四象限運(yùn)行，當(dāng)其工作在二四象限時(shí)，會(huì)有較大的能量反饋。傳統(tǒng)做法是在直流母線端并聯(lián)耗能電阻或逆變裝置來處理反饋的能量［3－4］。本文對(duì)超級(jí)電容儲(chǔ)能在永磁同步電機(jī)—電梯曳引系統(tǒng)中的應(yīng)用進(jìn)行了研究，并對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行性能和節(jié)能效果進(jìn)行了分析。

1 永磁同步電機(jī)—電梯曳引系統(tǒng)

在常見永磁同步電機(jī)—電梯曳引系統(tǒng)中，主要包括供電電網(wǎng)、變頻器、曳引電機(jī)和電梯負(fù)載等部分，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 電梯系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

電梯負(fù)載為位能性負(fù)載，當(dāng)電梯運(yùn)行于滿載上行和空載下行時(shí)，曳引電機(jī)工作在一三象限，曳引電機(jī)處于電動(dòng)狀態(tài);當(dāng)電梯運(yùn)行于滿載下行和空載上行時(shí)，曳引電機(jī)工作于二四象限，曳引電機(jī)處于放電狀態(tài)，此時(shí)曳引電機(jī)會(huì)反饋回直流母線大量能量。通常的做法是將這部分反饋能量通過在直流母線并聯(lián)耗能電阻處理掉，如圖2(a)所示。對(duì)于電梯負(fù)載來說，其工作需求導(dǎo)致其將長(zhǎng)期處于發(fā)電狀態(tài)，采用以上做法會(huì)導(dǎo)致較多能量被消耗。

針對(duì)上述問題，目前市場(chǎng)上的主要解決方法是通過另設(shè)逆變電路或者將系統(tǒng)前端的不控整流變?yōu)榭煽卣鳎逊答侂娔茉俅无D(zhuǎn)換成三相交流電反饋至公共電網(wǎng)，如圖2(b)和圖2(c)所示。此方法可以提高電能使用效率，有很多科研機(jī)構(gòu)和企業(yè)在這一領(lǐng)域己經(jīng)取得了一定的成果。但其缺點(diǎn)是進(jìn)行實(shí)時(shí)反饋時(shí)，反饋的能量難以保證與交流電網(wǎng)的頻率和相位保持一致，且反饋成分中的高頻部分會(huì)影響電網(wǎng)的穩(wěn)定性。針對(duì)以上情況，研究更為高效、安全、穩(wěn)定的電梯節(jié)能技術(shù)勢(shì)在必行。

圖2 常見的永磁同步電梯曳引系統(tǒng)圖

2 基于超級(jí)電容儲(chǔ)能的曳引系統(tǒng)

通過外帶儲(chǔ)能裝置對(duì)電梯曳引系統(tǒng)進(jìn)行節(jié)能控制是目前熱門的研究方向。帶有儲(chǔ)能裝置的永磁同步電梯曳引系統(tǒng)的具體結(jié)構(gòu)如圖3所示。其中儲(chǔ)能裝置和電梯系統(tǒng)之間通過雙向DC/DC變換器來實(shí)現(xiàn)能量流動(dòng)。

目前儲(chǔ)能裝置主要有電池和超級(jí)電容兩種，與電池相比，超級(jí)電容具有以下優(yōu)點(diǎn):超級(jí)電容可以彌補(bǔ)常用蓄電池功率密度小的缺陷，對(duì)普通電容能量密度小的不足也進(jìn)行了改進(jìn)，同時(shí)超級(jí)電容充放電速度快，效率高，可靠性好。所以本文采用超級(jí)電容來實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)節(jié)能。

圖3 帶儲(chǔ)能裝置的永磁同步電機(jī)—電梯曳引系統(tǒng)圖

2.1 系統(tǒng)控制策略

帶有超級(jí)電容的永磁同步電機(jī)—電梯曳引系統(tǒng)的控制策略應(yīng)符合以下原則:在滿足曳引機(jī)功率需求的情況下，最大程度地發(fā)揮超級(jí)電容回收能量的能力，在曳引電機(jī)處于電動(dòng)狀態(tài)時(shí)將能量釋放，實(shí)現(xiàn)節(jié)能最大化，由此，可得到系統(tǒng)控制策略如表1所示。

表1 電梯系統(tǒng)控制策略

2.2 雙向DC/DC變換器及其控制方式

本文采用非隔離型雙向DC/DC變換器，其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖4所示。該類型的變換器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，開關(guān)管的電壓尖峰問題不嚴(yán)重，效率高，適用于大功率場(chǎng)合。

圖4 Buck－Boost型雙向DC/DC拓?fù)鋱D

充電時(shí)，系統(tǒng)的能量從直流母線流向超級(jí)電容，開關(guān)S1和二極管D2工作，雙向 DC－DC變換器工作在Buck狀態(tài)，負(fù)載為超級(jí)電容;放電時(shí)，系統(tǒng)的能量是從超級(jí)電容流向變頻器直流母線，開關(guān)S2和二極管D1工作，雙向DC－DC變換器工作在Boost狀態(tài)，負(fù)載為與直流母線相連的逆變器。

該變換器電路由開關(guān)器件構(gòu)成，可知其為非線性系統(tǒng)。因變換器開關(guān)頻率遠(yuǎn)高于調(diào)制頻率，所以可利用傳遞函數(shù)和線性化技術(shù)建立數(shù)學(xué)模型［5］?？紤]到電感和電容器的內(nèi)阻，其Buck電路的小信號(hào)等效電路如圖5所示。

圖5 Buck電路的交流小信號(hào)等效電路

根據(jù)圖5及此處研究的雙向變換電路，R值可認(rèn)為較大，其傳遞函數(shù)為

式中，D為圖5中變壓器變比。

Boost電路的交流小信號(hào)等效電路如圖6所示，其傳遞函數(shù)為

式中，D為圖6中變壓器變比。

圖6 Boost電路的交流小信號(hào)等效電路

由上述數(shù)學(xué)模型可知，系統(tǒng)為小阻尼二階系統(tǒng)，系統(tǒng)的穩(wěn)定裕度小，轉(zhuǎn)折頻率附近會(huì)有一定的震蕩，系統(tǒng)開環(huán)性能較差，所以為了使系統(tǒng)在各種工況條件下均能輸出穩(wěn)定的電壓和電流，控制系統(tǒng)采用電壓外環(huán)和電流內(nèi)環(huán)的雙閉環(huán)控制方式，其原理框圖如圖7所示。

圖7 雙閉環(huán)控制原理框圖

3 超級(jí)電容儲(chǔ)能主要參數(shù)設(shè)計(jì)

電梯系統(tǒng)的曳引電機(jī)參數(shù)已知時(shí)，可通過式(3)求得電梯運(yùn)行單個(gè)工況周期所需的能量

式中，P為曳引電機(jī)實(shí)時(shí)功率。

基于超級(jí)電容儲(chǔ)能能力滿足電梯運(yùn)行一個(gè)工況周期的原則，可由式(4)得到超級(jí)電容容值

式中，ρ為儲(chǔ)能裝置工作效率;η為節(jié)能率;Q為電梯一個(gè)工況周期所需能量。

雙向DC/DC變換器主要參數(shù)包括共用電感L和穩(wěn)壓電容C。電感L和電容C可由下式求得

式中，D是雙向DC/DC變換器的占空比，D=VC/VDC;ΔiL是電容允許通過最大電流紋波;ΔVDC是電容允許通過最大電壓紋波值;fPWM是開關(guān)管開關(guān)頻率。

4 仿真分析

本文在Matlab/Simulink環(huán)境下建立了永磁同步電機(jī)—電梯曳引系統(tǒng)的仿真模型，如圖8所示［6－8］。

圖8 帶超級(jí)電容儲(chǔ)能的電梯系統(tǒng)仿真模型

仿真模型中包括主回路、電機(jī)控制回路、超級(jí)電容儲(chǔ)能裝置3部分。由上文中超級(jí)電容計(jì)算公式可以求得給定實(shí)驗(yàn)條件下的超級(jí)電容容值。超級(jí)電容充放電效率受其SOC(荷電狀態(tài))影響，通常超級(jí)電容SOC應(yīng)＞0.5，同時(shí)一般的電容器均會(huì)有約10% ～20%的容量偏差，所以設(shè)置超級(jí)電容限值時(shí)應(yīng)充分考慮以上兩點(diǎn)。系統(tǒng)主要參數(shù)如表2所示。

表2 仿真參數(shù)

系統(tǒng)工作在額定負(fù)載運(yùn)行情況下，電梯曳引電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)如圖9和圖10所示。由圖9可知，電梯曳引電機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)速能夠較好地跟隨給定，動(dòng)態(tài)過程超調(diào)＜2%，其運(yùn)行過程中轉(zhuǎn)矩輸出平穩(wěn)，穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)A相電流具有良好的正弦性，因此，該系統(tǒng)具有較好的控制性能。

圖9 電梯曳引機(jī)運(yùn)行狀態(tài)

由圖10(a)和圖10(b)可知，當(dāng)電梯上行，超級(jí)電容放電，超級(jí)電容兩端電壓下降，電流變大。當(dāng)電梯下行，超級(jí)電容充電，超級(jí)電容兩端電壓上升，電流變小，整個(gè)運(yùn)行過程，電壓電流變化較為平穩(wěn)。圖10(c)所示為超級(jí)電容輸出功率和電梯曳引電機(jī)輸出功率的對(duì)比。圖10(d)所示為系統(tǒng)運(yùn)行過程中，超級(jí)電容的能量變化與電梯曳引系統(tǒng)能量變化之間的對(duì)比。其中電梯運(yùn)行單個(gè)周期所需最大能量為5.56 kJ，該運(yùn)行過程中超級(jí)電容所吸收能量為3.27 kJ，由上可知，在忽略實(shí)際機(jī)械損耗和變頻器工作效率的情況下，整個(gè)運(yùn)行過程中系統(tǒng)節(jié)約了58.8%的能量。

5 結(jié)束語

在永磁同步電機(jī)—電梯曳引機(jī)系統(tǒng)中引入超級(jí)電容儲(chǔ)能環(huán)節(jié)，并通過雙閉環(huán)控制方法來實(shí)現(xiàn)超級(jí)電容的充放電。由仿真可知，系統(tǒng)動(dòng)態(tài)過程轉(zhuǎn)速超調(diào)＜2%，穩(wěn)態(tài)過程轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速靜態(tài)誤差＜1%。系統(tǒng)額定負(fù)載運(yùn)行單個(gè)周期能夠節(jié)約58%的系統(tǒng)能量。仿真結(jié)果表明，該系統(tǒng)具有良好的運(yùn)行性能，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了較好的節(jié)能效果。該系統(tǒng)仍然存在一定不足，本文提出的仿真條件為系統(tǒng)工作在理想狀況下，在實(shí)際應(yīng)用中，機(jī)械損耗和變頻器工作效率等會(huì)對(duì)節(jié)能效果造成一定影響，同時(shí)電容的充放電和能耗電阻切換會(huì)在一定程度上影響電梯的速度的恒定，從而對(duì)舒適性和安全性造成影響，這些都需要在下一步工作中進(jìn)行改進(jìn)。

圖10 超級(jí)電容儲(chǔ)能裝置運(yùn)行狀態(tài)

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