電梯安全衛(wèi)士的新型拓撲結(jié)構(gòu)和控制策略

莫迪

（北京祿智科技股份有限公司北京100055）

電梯安全衛(wèi)士的新型拓撲結(jié)構(gòu)和控制策略

莫迪

（北京祿智科技股份有限公司北京100055）

基于電梯綜合治理電壓和電流質(zhì)量問題的需求，提出一種新型的電梯安全衛(wèi)士（Elevator Safety Guard，EFG）拓撲結(jié)構(gòu)，其由背靠背H橋模塊構(gòu)成。串聯(lián)單元用于治理電壓質(zhì)量問題；并聯(lián)單元用于治理電流質(zhì)量問題，其采用差異化設(shè)計，無功電流和諧波電流由不同的模塊補償。串聯(lián)單元采用解耦控制策略，并聯(lián)單元采用無差拍控制策略。仿真結(jié)果驗證了所提拓撲結(jié)構(gòu)和控制策略的正確性。

電梯安全衛(wèi)士；背靠背H橋；差異化設(shè)計；解耦控制；無差拍控制

隨著高層建筑在國內(nèi)的興起，電梯的使用變得日益廣泛[1-2]。電梯使用中電壓質(zhì)量問題導(dǎo)致的電梯事故占相當?shù)谋壤?，其中，電壓跌落是目前發(fā)生概率最高的電壓質(zhì)量問題[3-5]，因此抑制電壓跌落，提高電能質(zhì)量，保障電梯的安全可靠運行已成為當前需要重點解決的問題。在供電系統(tǒng)與電梯的接口處加裝補償裝置，如不間斷電源（UPS）或者動態(tài)電壓恢復(fù)器（DVR），這是目前應(yīng)用最廣泛的補償電壓跌落的方法。UPS作為敏感負荷的備用電源，可有效克服電壓跌落和瞬時電壓中斷對負荷的影響[6]。在電壓跌落或瞬時電壓中斷發(fā)生時，控制系統(tǒng)立刻切斷電梯和供電系統(tǒng)之間的聯(lián)系，平穩(wěn)過渡到由UPS繼續(xù)供電。UPS的一個顯著優(yōu)點是能克服短暫的供電中斷，但對于克服電壓跌落來說，UPS顯得過于昂貴。DVR是一種串聯(lián)補償裝置，其可在毫秒級內(nèi)向系統(tǒng)注入電網(wǎng)正常狀態(tài)和故障狀態(tài)下的電壓差，使得電梯側(cè)電壓保持恒定不變[7]。DVR的容量通常取決于電梯的容量和要求的補償范圍，由于只需要補償系統(tǒng)電壓跌落的缺額部分，故其設(shè)計容量遠小于采用UPS補償時的設(shè)計容量。DVR因其動態(tài)性能和成本上的相對優(yōu)勢被認為是目前補償電壓跌落最經(jīng)濟、最有效的補償裝置[8-9]。同時，為保障電梯運行平順、舒適，電梯驅(qū)動幾乎無一例外的采用變頻驅(qū)動。由于變頻系統(tǒng)屬于非線性、沖擊性負荷，所以產(chǎn)生無功和諧波干擾的現(xiàn)象是不可避免的，因此，需安裝電流補償裝置，如有源電力濾波器（APF），以免電梯產(chǎn)生的無功電流和諧波電流流入電網(wǎng)，影響供電系統(tǒng)的可靠性和其它負荷的正常運行[10-12]。此時，若針對每一種電能質(zhì)量問題都分別采取一種類型的調(diào)節(jié)裝置，這樣多種裝置就會同時使用，將會大大增加治理成本，還會增加裝置運行維護的復(fù)雜程度，并且各裝置之間還存在著協(xié)調(diào)配合問題，影響聯(lián)合運行的可靠性，所以既不經(jīng)濟又不現(xiàn)實[13]。

基于以上原因，文中對電梯安全衛(wèi)士（Elevator Safety Guard，ESG）的拓撲結(jié)構(gòu)進行了詳細分析，提出了一種新型拓撲結(jié)構(gòu)，并對系統(tǒng)的控制策略進行了研究，最后，通過仿真對提出的拓撲結(jié)構(gòu)和控制策略進行了驗證。

1 電路結(jié)構(gòu)與工作模式

新型ESG的拓撲結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要由串聯(lián)單元、并聯(lián)單元、串聯(lián)變壓器、并聯(lián)變壓器和濾波器等組成，串聯(lián)單元和并聯(lián)單元通過直流電容耦合起來。串聯(lián)單元采用H橋級聯(lián)結(jié)構(gòu)。并聯(lián)單元采用單相多繞組變壓器并聯(lián)方式接入系統(tǒng)，在綜合考慮并聯(lián)單元補償特性的基礎(chǔ)上，無功電流由基波模塊補償，諧波電流由高頻模塊抑制，無功電流和諧波電流獨立控制，優(yōu)化了裝置的整體開關(guān)損耗，從而提高了裝置的整體效率和性能。并聯(lián)單元處于串聯(lián)單元下游，由于電壓已經(jīng)得到串聯(lián)單元補償，因此并聯(lián)單元不會受到電壓跌落等電壓電能質(zhì)量問題的干擾；同時，通過并聯(lián)單元對無功電流和諧波電流的補償，使流經(jīng)串聯(lián)單元的電流減小，一定程度上減小了串聯(lián)單元的容量。

圖1 新型ESG的拓撲結(jié)構(gòu)

當ESG檢測到電網(wǎng)電壓發(fā)生波動時，根據(jù)電梯側(cè)電壓的要求計算出補償電壓的幅值和相位，然后通過控制串聯(lián)單元產(chǎn)生需要補償?shù)碾妷海?lián)單元輸出的電壓由濾波器濾除高次諧波后，經(jīng)過串聯(lián)變壓器注入電網(wǎng)，確保電梯側(cè)電壓恢復(fù)到正常值，從而保證電梯能正常工作；當ESG檢測出電梯側(cè)電流中含有無功或諧波成份時，通過并聯(lián)單元注入與其相反的電流，從而保證電網(wǎng)電流為標準正弦波，抑制電梯產(chǎn)生畸變電流對電網(wǎng)的污染。如果并聯(lián)單元對電梯側(cè)無功和諧波分量實現(xiàn)完全補償，保證電網(wǎng)電流為正弦，且功率因數(shù)為1，忽略損耗，則ESG串聯(lián)單元可等效為一個可控電壓源，并聯(lián)單元可等效為一個可控電流源，其單相等效電路如圖2所示。

2 串聯(lián)單元的控制策略

串聯(lián)單元的電路結(jié)構(gòu)如圖3所示。uia、uib、uic為變換器三相輸出電壓，uca、ucb、ucc為三相濾波電容電壓，iga、igb、igc為電網(wǎng)側(cè)電流，ila、ilb、ilc為三相濾波電感電流，L1、C1為濾波電感、濾波電容，功率開關(guān)管損耗等效為電阻R，串聯(lián)變壓器等效成變比為1:1的理想變壓器。

圖2 ESG單相等效電路圖

圖3 串聯(lián)單元的電路結(jié)構(gòu)

根據(jù)基爾霍夫電路定律，可得變換器在三相靜止坐標系下的方程為[14]:

通過坐標變換將該數(shù)學(xué)模型轉(zhuǎn)換至同步旋轉(zhuǎn)坐標系中，狀態(tài)方程為:

式中，uid、uiq為變換器輸出電壓在同步旋轉(zhuǎn)坐標系下的投影；ucd、ucq為濾波電容電壓在同步旋轉(zhuǎn)坐標系下的投影；igd、igq為電網(wǎng)側(cè)電流在同步旋轉(zhuǎn)坐標系下的投影；ild、ilq為濾波電感電流在同步旋轉(zhuǎn)坐標系下的投影。

由式（3）可知，該數(shù)學(xué)模型存在交叉耦合項，不利于系統(tǒng)的控制。采用PI控制的電壓和電流控制器方程如下:

由上述分析可得串聯(lián)單元的控制框圖如圖4所示。

圖4 串聯(lián)單元的控制框圖

3 并聯(lián)單元的控制策略

并聯(lián)單元由基波模塊和高頻模塊組成，由于高頻模塊與基波模塊控制策略的區(qū)別主要在于補償電流參考值的計算，所以本文只對基波模塊的控制策略進行分析。基波模塊的控制系統(tǒng)分為無功補償電流參考值的計算和跟蹤參考電流的控制兩部分。采用基于瞬時無功功率理論的補償量檢測方法計算無功電流參考值[15]，在獲得指令電流信號后，產(chǎn)生的電流應(yīng)實時跟蹤指令電流的變化。無差拍控制具有開關(guān)頻率固定、動態(tài)響應(yīng)快的優(yōu)點[16]，因此，文中采用此控制策略。

假設(shè)并聯(lián)變壓器的變比為1，則基波模塊的單相電路如圖5所示。ug為電網(wǎng)電壓，if為基波模塊輸出電流，ua和un為基波模塊輸出電壓，uD為直流母線電壓，L為濾波電感。

由電路結(jié)構(gòu)寫出回路電壓方程為:

設(shè)采樣周期為T，把式（6）離散化后，得到

由式（7）得到無差拍控制器為:

通過控制直流母線電壓恒定來實現(xiàn)ESG裝置與電網(wǎng)之間的功率交換，先求出電網(wǎng)電壓的基波正序分量，然后與PI控制器的輸出值相乘，得到應(yīng)該從電網(wǎng)吸收或向電網(wǎng)釋放的基波正序電流有功分量，此分量的大小由PI控制器自動調(diào)節(jié)。

綜上所述，可得到基波模塊的控制框圖如圖6所示。在得到無功參考信號之后，再與直流電壓控制環(huán)節(jié)得到的基波正序有功電流相加，這樣便得到了所需要跟蹤的參考電流，經(jīng)過無差拍控制器得到開關(guān)信號。

圖5 基波模塊的單相電路

圖6 基波模塊的控制框圖

4 仿真結(jié)果

為了驗證所提拓撲結(jié)構(gòu)以及控制策略的正確性和可行性，在PSCAD環(huán)境下搭建了仿真模型，電網(wǎng)采用三相四線制系統(tǒng)，相電壓為220 V，電梯功率為11 kW。

1）串聯(lián)單元

電網(wǎng)電壓發(fā)生跌落，串聯(lián)單元投入運行時電網(wǎng)側(cè)和電梯側(cè)的電壓波形如圖7所示，uga為電網(wǎng)側(cè)電壓，uLa為電梯側(cè)電壓。電網(wǎng)電壓在0.5～0.6s內(nèi)，發(fā)生40%的電壓跌落，串聯(lián)單元在此期間輸出補償電壓，使電梯側(cè)電壓基本保持不變，顯示出解耦控制具有良好的魯棒性。

圖7 電網(wǎng)電壓發(fā)生跌落，串聯(lián)單元投入運行時電網(wǎng)側(cè)和電梯側(cè)的電壓波形

2）并聯(lián)單元

并聯(lián)單元投入運行時，電網(wǎng)側(cè)電壓、電網(wǎng)側(cè)電流和電梯側(cè)電流的波形如圖8所示。由圖可以看出，系統(tǒng)具有良好的穩(wěn)定性，補償后電網(wǎng)側(cè)電流成正弦，可見基于無差拍控制的并聯(lián)單元可以有效地補償無功和抑制諧波。

圖8 并聯(lián)單元投入運行時，電網(wǎng)側(cè)電壓、電網(wǎng)側(cè)電流和電梯側(cè)電流的波形

5 結(jié)論

文中提出了一種新型ESG電路拓撲，并聯(lián)單元采用差異化設(shè)計，提高了整體效率和性能。串聯(lián)單元采用解耦控制策略，并聯(lián)單元采用無差拍控制策略，使系統(tǒng)具有良好的魯棒性。仿真結(jié)果驗證了拓撲結(jié)構(gòu)和控制策略的正確性。

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Novel topology and control strategy for the Elevator Safety Guard

MO Di
（Beijing Logintel&Technology Co.，Ltd，Beijing100055，China）

This paper proposed a novel power conditioner topology as Elevator Safety Guard（ESG）to solve the voltage and current quality problems of the elevator.This topology consists of series converter and parallel converter both based on the back-to-back H-bridge modules．The series converter of the conditioner is used to solve the voltage quality problem while the parallel converter is used to solve current quality problem.Differentiation design is used for the parallel converter.The reactive current and harmonic compensation is executed in different control modules in the parallel converter.The decoupling control is applied in the series converter while the dead-beat control is used in the parallel converter.The effectiveness of the proposed topology and control strategy is validated by simulations.

Elevator Safety Guard（ESG）；back-to-back H-bridge；differentiation design；decoupling control；dead-beat control

TN389

A

1674-6236（2017）23-0178-04

2016-10-13稿件編號：201610062

莫迪（1987—），男，廣東廣州人，工程師。研究方向：電力電子與電能質(zhì)量控制。