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一种基于超电容的电梯发动机回收系统的改进控制方法
摘 要
本文提出了一种超级电容器(SC)电梯能量回收系统(ERS)的控制策略。ERS 通过双向 dc-dc 变频器与电梯电机的 dc-link 相连，用于存储制动能量并回收制动能量。根据电梯运行工况和交流电网电压变化情况，介绍了一种双重模糊逻辑控制器组成的系统其系统通过 ERS 的 dc-dc 变换器调节电压。从而降低了电网在电梯运行周期中的能耗，提高了电梯系统效率。此外，所开发的控制系统可降低晶闸管电流纹波，以防止晶闸管过热，从而保持晶闸管的储能能力和使用寿命。该控制方案无需对电梯电机驱动进行任何修改，安装简单， 因此适用于任何电梯系统，甚至是现有的电梯安装。该控制方案的有效性和运行效果在实际的电梯系统上进行了实验验证。主要指标:制动能量、控制系统、电梯电机驱动、储能、超级电容器。吸引式电梯的电机是根据轿厢的运动方向和相对配重[1]的重量来消耗或产生电能的。具体来说，当电梯客舱满载运行或空载运行时，能量消耗最大。相反，当电梯客舱以小于一半的热负荷上行或大于一半的热负荷下行时，电梯电机产生的电能称为制动能量；电梯客舱空载上行或满载下行时产生最大能量。
关键字:刹车能量；控制系统；升降马达驱动；超级电容；能量存储
1.引文
在电梯转向电机操作[3]时候收集它产生的能量并存储。虽然在电梯降低能耗的应用程序中，再生转换器系统(包括整流器和逆变器由完全可控电源开关)是一个明显的解决方案,但是它比 SC昂贵以及需要一个精确同步谐波滤波的回收能量网格[4]。一种外部逆变器的工作原理是将产生的能量输入电网，这种逆变器可能是一种改进的解决方案。然而，对精确同步和谐波滤波的需求仍然存在[5]。此外，再生系统依赖于电网吸收多余能量的能力，并服从电网管理员的定价政策。相反，与电机驱动 dclink 连接的 ERS 电梯是一个更有吸引力的解决方案，因为它没有上述蓄热系统的缺点。因为它不将能量重新注入电网，所以作为一个独立的能源消耗者，此运行成本降低了[4]。此外，它还可以消除因故障而出现在电网上的电压峰值现象。为了在电梯应用中有效地回收制动能量，国内外已进行了大量的研究。在[10]中提出了一种多通道双向交错 dc-dc 变换器，并在[11]中给出了基于SC的 ERS 电梯应用和安装过程。最后，在[4]中给出了一种基于 SC-bank 的电梯系统软交换接口。在电梯应用中，相比电池 SCS更适为存储设备使用。这是因为，在每一个运行周期中，所储存的制动能量可以在下一次运行中回收，而不会累积起来供进一步使用。这与电池相比，具有维护保养少、内阻低、大功率管理能力强、充放电周期大、温度范围宽、耐过充过热等优点。将基于SC的ERS 连接到电梯电机驱动的 dc 链路上，；来存储制动状态下多余的能量，并在回到电机运行时释放。在技术文献的研究中，ERS 的 dc-link 参考电压保持恒定，任意选择低于升降机电机驱动来制动电阻电路通电时的电压电平，使得其大于整流的电网电压值。然而，这种方法并不能确保 ERS 所能提供的利益最大化以及最大限度地利用储能设备功能。这是因为有的情况下电梯电机会消耗电网的电能却不被 ERS 吸收，也不能保证其低于 SC 电流纹波。为了实现上述目标，电梯电机驱动的直流链路电压应根据电网电压的变化和电梯运行情况在线调整。在操作过程中就确保了所需的能量能被使用者尽可能地吸收。同时，SC 电流纹波较小，避免了 SC 过热，从而保持其储能能力和工作寿命，[14]-[16]研究。
在[17]中提出了一种改进电梯应用 ERS 的性能尝试;然而，它仅限于在研究中模拟。这种基于动态规划的电梯能耗平滑和制动电阻能量损耗降低的能量管理策略。在[19]中采用模糊逻辑技术代替传统的直流链路电压微控制器，通过改进速度控制[20]、[21]，以及对自整定模糊逻辑群控制器[22]电梯群系统的等待时间进行调整，来提高电梯电机的驱动性能。图 1 所示为本发明的除极系统的结构，其系统由舱室、电机驱动和带 SC-bank 的 dc- dc 变流器组成。由于存在可能的连续制动循环，制动电路仍在使用来耗散多余不能被存储的能量。同时还需要轿厢运动来召唤电梯控制台的信息。
论文提出了一种基于模糊逻辑技术的电梯控制策略。提出的在线控制方案是根据电梯运行情况来考虑交流电网电压变化以调整电梯驱动。因此，与直流链路电压恒定的传统 ERS 相比，电梯系统从电网吸收的电能进一步减少。此外，减少 SC 电流纹波，从而最大限度地利用其储能能力来保护 SC 的工作寿命。
该控制方案无需对电梯电机驱动进行修改，安装方便，适用于任何电梯系统，甚至适用于现有的电梯安装。具体来说，安装时连接如下:两根电缆用于接收电梯控制台发出的“呼叫”脉冲信号，电缆用于测量交流电网电压，以及用于连接电梯电机驱动的直流链路。在无齿轮永磁同步电机驱动的电梯系统上，实验验证了该控制方案的有效性。
图 3 显示了基于 sc 电力马达的能量流。图 3(a)是电机运行时，由于 SC-bank 充电不足，无法自动向电机提供能量，电机电流可能超过 SC 额定电流。因此，电网和 SCs 都为电机提供能量。然而，当 SC-bank 充完电后，它可以自动为电机驱动提供能量，如图 3(b)所示。在图 3(c)中，电机服务，制动能量存储在 SC-bank 中。最后，在充满 SCs 后，启动电梯电机驱动的制动电阻电路，产生的能量在电阻中耗散，就如图 3(d)所示。
A SC-bank
SC也被称为双层电容器，它与普通电容器的不同之处在于它有很高的电容。它由两个电极组成，电极之间由多孔膜(称为隔膜)隔开，并被有机电解质浸渍。电极是由多孔导电材料制成的，它们很薄，表面积为[12]。电池电压较低典型值为 2.7 V因此在 SC-bank 中， 几个电池单元应该形成串联的电压。SC广泛用于工业、电动汽车和可再生能源应用(太阳能农场和风力涡轮机)单独或与电池结合的储能设备。
B双向直流-直流变换器
双向 dc-dc 变流器作为储能设备的接口负责改进能量管理来提高电梯系统的效率。双向dc-dc 转换器的拓扑满足不同的应用要求分为隔离型和非隔离型两种。当 dc-bus 电压与 SC- bank 电压之比较高时，采用隔离 dc- dc 变换器为佳。然而，从系统[12]、[26]的效率、尺寸、 重量和成本来看，非隔离的双向 dc-dc 转换器是一个有吸引力的解决方案。因此，本文采用了非孤立拓扑结构。非孤立双向 dc - dc 变换器拓扑结构是反并行连接升压级和降压级的组合。采用 econverter 降压方式，控制电源开关 SW1 给 SC-bank CS充电，通过控制电源开关 SW2 在升压阶段回收制动能量(图 5)，通过控制 dc-link 电压 Vdc，对电源开关进行适当的控制。
（1）
其中 Vdc 为 dc-link 电压，Ts 为采样周期，L 为线圈电感，D 为双向 dc-dc换器的占空比(D = ton/Ts，其中 ton 为电源开关 SW1 的导通间隔)。一个 ERS 的 SC-bank 中可以存储的最大能量由其中 Vdc 为 dc-link 电压，Ts 为采样周期，L 为线圈电感，D 为双向 dc-dc 变换器的占空比(D = ton/Ts，其中 ton 为电源开关 SW1 的导通间隔)。一个 ERS 的 SC-bank 中可以存储的最大能量由其中 Ceq 为等效电容，Vsmax 为 SC-bank 的最大电压。然而，由于 dc-dc 变换器的电压范围介于 Vsmin 和 Vsmax 之间.
四 基于供应链的 ERS 的目标
在制动操作中，控制电源开关 SW1 将制动能量存储到 SC-bank 中。在电机运行过程中通过控制电源开关SW2 来恢复 SCs 所储存的能量，并将其提供给电机。因此，能量流是双向的，如果 dc-link 电压低于制动电阻电路通电时的值高于整流电网电压，则可以完成此操作。然而，如果仅按照上述规则任意选择直流链路电压，则无法改善存储设备的能量管理。这是由于以下原因。
电梯动态运行如图 2 所示，在电梯启动运行时出现高功率峰值。由于高电流需求导致 dc-link 电压下降(可能低于电网的整流电压)，SC-bank 打算对这种下降进行补偿，因此其电压也会下降。在这种情况下，即使 SCS充满电，电梯电机也会通过电网消耗能量。需要注意的是，上述问题主要是能量管理问题，因为电网消耗的能量不会丢失，制动能量可以保留给SCS。然而，由于电梯的运动是随机的，所以不确定储存的能量是否会在下一个运行周期中使用，因为电梯的运行方式取决于移动方向和负载条件。因此，如果下一个电梯运行再次制动，产生的新能量将损失到制动电阻。为了最大限度地提高电梯系统的运行效率，同时最大限度地利用储能设备，需要对电梯动力系统进行优化。这可以通过在线调整直流连接电压Vdc 通过直流变换器的 ERS。具体地说，通过考虑升降台获取的机箱运动方向信息，可以
在升降电机启动前增加直流链路电压，从而克服直流链路电压下降的问题。动态完成后，Vdc返回一个提供低 SCS 电流纹波的值。因此，控制好直流链路电压，既可以平滑电梯动态产生的功率峰值，又可以降低 SCS电流纹波。根据 EN50160 b AC-Grid 电压变化,最大容许长期 AC-Grid 电压偏差因国家而异,这是有界的plusmn;10%的额定电压。因此，在电机运行过程中，如果交流电网电压长期增加，则应相应地增加Vdc 电压，使其大于整流电网电压，从而保证电机所需的能量由ERS 提供。相反，如果长期减少交流电网。
低 SC 电流纹波的目的是为了防止 SC 过热，从而保护其储能能力和使用寿命[14]-[16]。因此， dc-link 电压 Vdc 应根据电梯运行方式和负载情况进行适当调整来提供较低的 SC 电流纹波。从上面的分析得出为了抚平电梯电力的使用高峰,考虑到 ac-grid 电压变化和保持 SC 纹波电流低, 参考直流环节电压 Vlowast;直流应该适当调整。上述目标可以结合以下条件:
(4)
ai,bj,ck 是变化的参数,依赖于变化的范围,Vg,Delta;Is。具体地说,ai 取决于和 Vg 的变化,而 bj 和ck 取决于真空吸尘器的变化和 Delta;Is 是常规开闭器的参考直流链路电压的值(它是常数，比升降机电机驱动电路的制动电阻大并大于整流电网电压的电压高)。
五 提出模糊逻辑控制方案
所提出的能量回收控制方案框图如图 6 所示。它由两部分组成：第一部分是提出的模糊逻辑控制系统,确定适当的值 Vlowast;直流，第二部分为 dc-dc 变换器提供 PWM 脉冲。传统中只有系统的第二部分考虑使用一个预定义的恒定值 Vlowast;，电压低于电梯的制动电阻电路电机驱动能量,大于解决电网的。模糊逻辑系统的作用是控制 Vlowast;dc,其采样时间 TFO 多次大于常规系统的采样时间 Ts提供高频 PWM 脉冲电源转换器。
六 结论本文提出了一种基于单片机的电梯控制策略。该控制方案根据电梯的运行条件和交流电网电压变化，在能源节约和电流的在线调整取得了平衡。因此，最大限度的实现了利用和运行的寿命。通过对两种交流电网电压和直流变流器的模糊逻辑控制器的系统分析完成了上述工作。所开发的控制方案无需对电梯电机驱动进行修改即可轻松安装，适用于任何电梯系统，甚至适用于有的电梯安装。为了验证所提控制方案。
资金提供
这项工作得到了新加坡共和国国家研究基金会的支持，该基金是通过资助新加坡伯克利研究教育联盟（熊）为新加坡-伯克利建筑的可持续性和可持续性（辛贝斯特）而获得的项目和电气和电子工程学院，南洋理工大学。美国加州大学伯克利分校（University of California at Berkeley）已在新加坡建立了一个研究和教育知识交流中心。
附录A补充资料
有关本文的补充数据，请访问http://dx.doi.org/10.1016/j.buildenv.2018.05.005.
[1]S.B.C.A., 3rd Green Building Masterplan, Singapore: Building and Construction Authority.
[2]C. Duarte, P. Raftery, S. Schiavon, reportSinberbest Technology Energy Assessment Report, Building Effciency and Sustainability in the Tropics.
[3]BCA, Bca Zebbrochure. URL https://www.bca.gov.sg/zeb/files/BCA-ZEB-Brochure-lt;
资料编号：[452390]，资料为PDF文档或Word文档，PDF文档可免费转换为Word
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