基于超級電容的罐籠能量回饋系統(tǒng)方案研究

任輝 胡國文 楊曉冬

摘 要：礦井罐籠作為礦井提升機(jī)系統(tǒng)的重要組成部分起著輸送的作用，但由于工作環(huán)境的特殊性，外界很難向其內(nèi)部輸送電力，進(jìn)而無法實現(xiàn)信息交互、照明、報警等基本功能，存在很大的安全隱患。針對這種情況，在充分了解罐籠運(yùn)行特性及機(jī)械結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，提出了一種以超級電容為儲能單元的礦井罐籠自發(fā)電與能量回饋系統(tǒng)。整個系統(tǒng)包含交流發(fā)電、整流、直流側(cè)穩(wěn)壓、DC/DC變換、儲能等單元。為驗證系統(tǒng)方案的可行性，在Matlab/Simulink仿真環(huán)境下搭建各單元仿真模型進(jìn)行驗證，并對仿真結(jié)果進(jìn)行分析。結(jié)果表明，儲能單元的加入為礦井罐籠系統(tǒng)功率平衡提供了有力支撐，基于超級電容的罐籠能量回收系統(tǒng)在很大程度夠解決罐籠供給電能的問題。

關(guān)鍵詞：礦井罐籠；超級電容；能量回饋；Matlab/Simulink

中圖分類號： TM92 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A [WT]文章編號：1672-1098（2017）03-0050-06

Abstract：Mine cages serve as an important part in the mine hoist system， but because of the particularity of the working environment， it is difficult for the outside world to transmit electric power to the inside， which can not realize the basic functions such as information exchange， lighting and alarming. In view of this situation， based on the understanding of the running properties and mechanical structure of the cage， a self - generation and energy feedback system of mine cage with super capacitor as energy storage unit is proposed. The whole system includes AC power generation， rectifier， DC side regulator， DC / DC conversion， energy storage and other units. In order to verify the feasibility of this system scheme， the simulation model of each unit was built in Matlab / Simulink simulation environment， and the simulation results were analyzed. The results show that the addition of the energy storage unit provides a strong support for the power balance of the coal cage system. The energy recovery system based on the super capacitor can solve the problem of supplying the energy of the cage to a great extent.

Key words：Mine cage； super capacitor； energy feedback； Matlab/Simulink

礦井罐籠作為礦井提升機(jī)系統(tǒng)的重要組成部分，起著輸送人員、設(shè)備、貨物等類似于電梯的作用。為了保證整個礦山提升系統(tǒng)安全穩(wěn)定的運(yùn)行，需要對提升機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行實時監(jiān)測，目前所采用的傳統(tǒng)礦井提升機(jī)狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)主要通過地面機(jī)房對牽引機(jī)的控制來實現(xiàn)，但其不能對罐籠部分的具體情況做出有效的判斷。究其原因，主要是由于礦井提升機(jī)處于易燃易爆煤礦的特殊環(huán)境，再加上井道垂直高度較大等因素，使得無法通過隨行電纜的方式將電力輸送至罐籠內(nèi)部，進(jìn)而也就無法有效地對罐籠進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)測，在很大程度上降低了礦井提升機(jī)運(yùn)行系統(tǒng)的自動化程度，同時也增加了工作人員安全的危險程度[1]。

通過對礦井罐籠的運(yùn)行特性分析知，罐籠在井道上下頻繁長距離的運(yùn)行過程中蘊(yùn)藏著非?？捎^的能量可以進(jìn)行回收利用，超級電容作為一種新型的儲能元件，由于本身具有功率密度大、充電時間短、工作壽命長等諸多優(yōu)點(diǎn)使得在能量管理系統(tǒng)中被廣泛應(yīng)用[2]。通過回收利用礦井罐籠系統(tǒng)能量既解決了能量浪費(fèi)的問題，同時又很好地將回收能量進(jìn)行再利用，供給罐籠內(nèi)部的通訊、照明等負(fù)載設(shè)備使用，解決了安全隱患問題，提高了系統(tǒng)的自動化及安全程度，有很高的現(xiàn)實意義及應(yīng)用價值。

1 系統(tǒng)總實現(xiàn)方案及容量配置

礦井罐籠能量回收系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示，罐籠在礦井作業(yè)中頻繁上下移動，蘊(yùn)藏著非?？捎^的能量。出于對罐籠結(jié)構(gòu)及尺寸大小的考慮，系統(tǒng)選取三相交流永磁同步發(fā)電機(jī)作為發(fā)電設(shè)備，通過罐籠罐耳及聯(lián)動裝置如皮帶或者齒輪等帶動發(fā)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)發(fā)電，產(chǎn)生三相交流電，經(jīng)過SVPWM整流將其變?yōu)榉€(wěn)定的直流電，由于罐籠內(nèi)部負(fù)載電壓等級與超級電容模組的電壓等級存在差異，為此加入DC/DC變換器模塊來滿足不同電壓等級需求[3]。超級電容與負(fù)載并聯(lián)接在DC/DC變換器上，系統(tǒng)發(fā)出的電會優(yōu)先供給負(fù)載，當(dāng)交流側(cè)電能較為充裕時，再利用超級電容進(jìn)行多余能量的存儲[4-5]。由于超級電容具有功率密度大、充放電時間短、使用壽命長的突出優(yōu)點(diǎn)，所以一旦系統(tǒng)出現(xiàn)功率不平衡問題，可以利用超級電容進(jìn)行瞬時大功率的供給，從而實現(xiàn)整個系統(tǒng)的功率平衡，保證系統(tǒng)安全持續(xù)運(yùn)行[6]。

結(jié)合礦井罐籠實際運(yùn)行工況與超級電容自身特點(diǎn)，對系統(tǒng)功率、容量進(jìn)行相關(guān)的配置，目的是為了保證系統(tǒng)在穩(wěn)定運(yùn)行的同時達(dá)到最優(yōu)效果。

設(shè)定PLOAD為負(fù)載總功率，PDCH為超級電容儲能系統(tǒng)放電功率，以江蘇某礦井罐籠為例，該礦井罐籠為雙層罐籠，其主要用電設(shè)備為照明燈、開關(guān)門電機(jī)、通訊機(jī)。該雙層罐籠可以采用2個功耗在20W左右的直流LED燈作為照明裝備，電機(jī)以普通自動門電機(jī)作為參考，以三菱SAD-150D無刷直流電機(jī)為例，其額定功率為80W，額定電壓為24V，額定電流3.5A，適用于150KG*2雙扇自動門，即對于該雙層罐籠來說，自動門電機(jī)數(shù)量為4個。再加上下2個通訊機(jī)設(shè)備（功率在10W左右），可以得到系統(tǒng)負(fù)載總功率PLOAD為380W，即系統(tǒng)正常穩(wěn)定運(yùn)行時要求超級電容儲能系統(tǒng)放電功率PDCH≥380W。出于對安全裕量和裝置器械機(jī)械效率（一般在80%左右）及損耗考慮，取PDCH=500W。對于雙層礦井罐籠而言，其每層左右兩端有兩組罐耳，每組有3個罐耳，即共12個滾輪罐耳，每組選用一個罐耳用來聯(lián)動發(fā)電，即需要4個三相交流永磁同步發(fā)電機(jī)，所以通過計算知選用的交流電機(jī)額定功率不低于125 W才可以滿足系統(tǒng)要求。

由于礦機(jī)罐籠上下運(yùn)行時間非常短，對于礦井井道在350米左右的罐籠其運(yùn)行周期一般在2min，所以傳統(tǒng)儲能方法無法在短時間回收大量能量，超級電容因為其功率密度大的突出優(yōu)點(diǎn)可以很好的解決這一問題。結(jié)合前面對系統(tǒng)功率的分析，在這里可以選用由美國Maxwell公司生產(chǎn)的BMOD0165P048804/B08電容模組，它是由3.7V/3 000F的超級電容單體組成，模組額定容量為165F，額定電壓為48V，等效內(nèi)阻為6.5mΩ，額定電流為200A，經(jīng)過計算，該模組完全滿足系統(tǒng)對功率的要求，而且額定電壓48V能夠滿足罐籠負(fù)載對電壓等級要求，同時方便DC/DC變換器的控制。

2 SVPWM整流器模塊

2.1 SVPWM拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

SVPWM整流器作為礦井罐籠能量回收系統(tǒng)重要組成部分，起著能量傳輸作用，通過電力電子器件整流變換將交流電能轉(zhuǎn)換為直流電能。本系統(tǒng)中選擇的開關(guān)元件為可控型，通過調(diào)節(jié)開關(guān)管觸發(fā)脈沖PWM波占空比大小便可以得到不同輸出等級大小的直流電[7]。其結(jié)構(gòu)拓?fù)鋱D如圖2所示，其中ea、eb、ec為三相永磁同步交流發(fā)電機(jī)發(fā)出的三相交流電電動勢，ia、ib、ic為交流側(cè)的三相交流電電流，L為濾波電感，R為線路與開關(guān)的等效電阻，Cdc為直流側(cè)穩(wěn)壓電容，Vdc為直流側(cè)輸出電壓。

2.2 雙閉環(huán)控制

如圖3所示，為了實現(xiàn)對整流器的控制，首先要采集三相交流電機(jī)發(fā)出的電壓和電流，從而得到在靜止坐標(biāo)系（a，b，c）下的電勢與電流，經(jīng)過park變換后，得到了在（d，q）坐標(biāo)下的有功分量和無功分量，通過前饋解耦，便可以實現(xiàn)直接電流控制[8]。雙閉環(huán)指的是電壓環(huán)作為外環(huán)，電流環(huán)作為內(nèi)環(huán)，整流后的直流電壓反饋與給定電壓的差值經(jīng)電壓PI調(diào)節(jié)后作為d軸電流的給定值id，通過控制id的大小及符號來控制功率的大小及方向。為了實現(xiàn)系統(tǒng)交流側(cè)工作在單位功率，取i*d=0，d、q軸電流給定值與實際測得的電流值比較后經(jīng)電流PI調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)，輸出的v*d、v*q作為整流器交流側(cè)基波電壓的d軸與q軸分量的給定值，經(jīng)SVPWM調(diào)制后，產(chǎn)生6路驅(qū)動脈沖，用來控制開關(guān)管MOSFET的動作。采用這種雙閉環(huán)控制方法可以穩(wěn)定直流側(cè)母線電壓的大小，防止功率波動的出現(xiàn)，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

交流發(fā)電機(jī)發(fā)出來的三相交流電經(jīng)過SVPWM整流后變?yōu)橹绷麟?，此時的直流電壓等級仍然比較高，一般為500V左右（可以設(shè)定）。而罐籠內(nèi)部負(fù)載的電壓等級大小不同，有的是照明設(shè)備，有的是通訊設(shè)備，有的是報警顯示設(shè)備等等，同時出于對超級電容模組的保護(hù)，其充電電壓等級不能太高，否則的話對超級電容的沖擊就會很大，影響其使用壽命[9]。因此在向負(fù)載端供電前需要加入DC/DC轉(zhuǎn)換模塊[10]。

當(dāng)超級電容存儲的能量較多，而罐籠處于停止、低速、減速等狀態(tài)時，發(fā)電機(jī)發(fā)出的功率不能滿足負(fù)載需求，而超級電容存儲的能量較多時，這種情況下就可以通過boost電路將電壓等級提升，然后供給罐籠內(nèi)部負(fù)載使用，從而實現(xiàn)存儲能量的流動與再利用[11]，保證罐籠內(nèi)部照明、報警、通訊的持續(xù)工作，繼而保證了整個礦井系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行。

如圖4所示，當(dāng)三相交流發(fā)電機(jī)處于正常發(fā)電狀態(tài)時，能量將流向負(fù)載及超級電容器一端，對負(fù)載供電以及向超級電容充電，此時DC/DC變換器處于降壓狀態(tài)，由VQ3、VQ4、C1和L構(gòu)成降壓buck電路；當(dāng)超級電容對外放電釋放能量時，DC/DC變換器處于升壓狀態(tài)，由VQ1、VQ2、C2和L構(gòu)成降壓boost電路[12]。雙向DC/DC變換器的存在，提高了系統(tǒng)的功率輸出能力，合理分配、利用系統(tǒng)中的能量，保證系統(tǒng)的正常運(yùn)行。

4 超級電容模組

4.1 超級電容特性分析

超級電容又稱為法拉電容或者黃金電容，其儲能的過程并不是利用化學(xué)反應(yīng)，而是通過極化相應(yīng)的電解質(zhì)來進(jìn)行能量的存儲，因此與傳統(tǒng)的蓄電池相比較，具有能量密度大、充電時間短、使用壽命長、工作溫度范圍寬，同時對環(huán)境無任何污染，因此在諸多領(lǐng)域得到越來越多的關(guān)注與應(yīng)用[13]。

4.2 超級電容模組配置

超級電容雖然具有諸多的優(yōu)點(diǎn)，但是也存在不可避免的缺陷。由于超級電容的單體電壓比較低，一般為5V或者5V以下，隨著電力電子技術(shù)與制作工藝的不斷發(fā)展與改進(jìn)，目前應(yīng)用于儲能方面的超級電容單體電壓已經(jīng)可以達(dá)到15V上下，但是在實際工程應(yīng)用中仍然需要通過串并聯(lián)電容單體來提升電壓和功率等級[14]。

4.3 超級電容均壓電路

由于生產(chǎn)工藝等客觀因素的存在，單體電容之間存在分散性，即相互間的額定電壓與容量并不完全相同，并且隨著工作時間的增長這種分散性會越來越明顯，最終導(dǎo)致的結(jié)果就是在采用恒流充電完成后往往會發(fā)現(xiàn)不理想的情況，例如有些單體電容的電壓遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒有達(dá)到預(yù)設(shè)值（欠充），而有些單體電容卻會出現(xiàn)高于預(yù)設(shè)值（過充）的情況，這將在很大程度上影響超級電容模組的功率平衡能力。因此在進(jìn)行串并聯(lián)超級電容單體來抬升電壓和功率等級的儲能系統(tǒng)中必須要加入均壓電路，來抑制單體電容間的分散性，同時還要加入保護(hù)電路，來預(yù)防單體電容的過充和欠充，以免影響整個電容模組的使用壽命。

所設(shè)計的均壓電路如圖5所示。其中S1、S2、S3、S4是單向可控型開關(guān)，由MOSFET來代替，其內(nèi)阻很小，可以近似忽略，同時控制比較簡單、精確，閉合時可以等效成一根導(dǎo)線；斷開時，可以等效成斷路[15]。S5、S6是雙向可控型開關(guān)元件，用來實現(xiàn)并聯(lián)超級電容模組之間的能量流通，實現(xiàn)欠充單體電容的快速能量補(bǔ)充，保證了能量的合理利用，避免了能量浪費(fèi)，同時控制簡單，均壓效果好，適合儲能超級電容模組均壓電路設(shè)計。

在Matlab/Simulink仿真環(huán)境下通過搭建仿真模塊和參數(shù)設(shè)定分別對SVPWM整流器模塊、DC/DC變換器模塊、超級電容模組充電模塊進(jìn)行仿真。

1） SVPWM整流器模塊

假設(shè)三相交流發(fā)電機(jī)發(fā)出的單相交流電動勢的電壓幅值為300V，交流側(cè)的電流幅值為20A，經(jīng)SVPWM整流后的直流母線側(cè)的設(shè)定電壓為560V，則仿真波形如圖6所示。

2） DC/DC變換器模塊

由于DC/DC的buck和boost兩種工作模式是互逆的過程，在這里分別對buck、boost工作模式進(jìn)行仿真，buck模式下設(shè)定直流母線側(cè)的輸入電壓為200V，開關(guān)管的MOSFET的PWM脈沖波的占空比D=0.4，則降壓輸出后的結(jié)果應(yīng)為80V。boost模式下設(shè)定超級電容模組的端電壓為10V，開關(guān)管的MOSFET的PWM脈沖波的占空比D=0.6，則升壓輸出后的結(jié)果應(yīng)為25V，仿真圖形如圖7所示。

3） 超級電容模組

為了驗證超級電容單體串聯(lián)的充電效果，對充電模組做以下參數(shù)設(shè)定：超級電容模組由6塊單體電容串聯(lián)組成，每塊單體的額定電容為100F，設(shè)定模組的端電壓的上限值為60V，即端電壓值在60V以下時充電，否則自動停止充電。設(shè)定每個單體電容起始端電壓為7.6V左右，上下波動不超過0.1V，波動的設(shè)定是為了檢驗電路的均壓效果。除此之外設(shè)定充電方式為恒流充電，大小為60A，仿真時間為5s，仿真后的波形如圖8所示。從仿真結(jié)果可以看出，采用恒流充電方式下的超級電容單體端電壓呈直線形式上升，這與理論推導(dǎo)完全相符。除此之外，仿真后端電壓均在同一時間點(diǎn)穩(wěn)定在10V，沒有出現(xiàn)欠充和過充的不健康情況，達(dá)到了預(yù)期的目的。

6 結(jié)論

本文提出了一種基于超級電容儲能的礦井罐籠自發(fā)電與能量回饋系統(tǒng)實現(xiàn)方案。進(jìn)行了理論分析、Matlab/Simulink仿真驗證。結(jié)果表明：該方案能夠?qū)崿F(xiàn)系統(tǒng)交流側(cè)整流、直流側(cè)穩(wěn)壓、功率變換、超級電容儲能等單元功能，證明了礦井罐籠系統(tǒng)能量回饋方案的可行性，具有一定現(xiàn)實意義與實際應(yīng)用價值。

參考文獻(xiàn)：

[1] 蘇長勝. 礦井提升機(jī)控制技術(shù)研究現(xiàn)狀與發(fā)展[J]. 工礦自動化，2013，39（2）：33-38.

[2] 劉博. 基于純電動汽車的制動能量回收系統(tǒng)的研究與實現(xiàn)[D]. 北京：清華大學(xué)，2004.

[3] 鄧哲. 帶超級電容模塊的饋能型電梯驅(qū)動系統(tǒng)若干關(guān)鍵技術(shù)研究[D].杭州： 浙江大學(xué)，2013.

[4] 謝東亮，薛峰，宋曉芳.基于最優(yōu)價值網(wǎng)絡(luò)的儲能系統(tǒng)調(diào)度優(yōu)化及仿真[J].電力系統(tǒng)自動化，2016，40（24）：42-48.

[5] JIN C，TANG J，CHOSH P.Optimizing electric vehicle charging with energy storage in the electricity[J].IEEE Trans on smart Grid，2013，4（1）：311-320.

[6] 皇甫海文. 基于超級電容的礦井提升設(shè)備功率補(bǔ)償及能量回收系統(tǒng)研究[D]. 北京：北京交通大學(xué)，2015.

[7] 金一丁， 宋強(qiáng)， 劉文華. 基于公共直流母線的鏈?zhǔn)娇赏卣闺姵貎δ芟到y(tǒng)及控制[J]. 電力系統(tǒng)自動化，2010，34（15）：66-70.

[8] 李金金. 基PLC控制的變頻調(diào)速在礦井提升機(jī)中的應(yīng)用[D]. 太原：太原理工大學(xué)，2007.

[9] 李建林，田立亭，來小康.能源互聯(lián)網(wǎng)背景下的電力儲能技術(shù)展望[J].電力系統(tǒng)自動化，2015，39（23）：15-25.

[10] 唐鵬. 電動汽車制動能量回收分析與研究[D]. 合肥：合肥工業(yè)大學(xué)，2007.

[11] XUE Y.Energy Internet or comprehensive energy network[[J].Journal of Modern Power Systems and Clean Energy，2015，3（3）：297-301.

[12] HUANG Y， LIANG J， CHEN Y. An Overview of the Applications of Graphene‐Based Materials in Super capacitors[J]. Small， 2012， 8（12）： 1 805-1 834.

[13] 楊珺，張建成，周陽，等.針對獨(dú)立風(fēng)光發(fā)電中混合儲能容量優(yōu)化配置研究[J].電力系統(tǒng)保護(hù)與控制，2013，41（4）：38-44.

[14] 鄧哲， 周峰武， 金靈輝， 等. 基于超級電容儲能與自適應(yīng)功率預(yù)測模型的電梯制動能量回收系統(tǒng)并網(wǎng)功率優(yōu)化控制[J]. 電工電能新技術(shù)，2013，28（9）：205-213.

[15] 胡國文，李超，林萍. 超級電容器電壓均衡技術(shù)研究綜述[J]. 電測與儀表， 2014，51（22）：22-29.

（責(zé)任編輯：李 麗，吳曉紅，編輯：丁 寒）