基于雙電層超級(jí)電容器的電梯節(jié)能及應(yīng)急平層系統(tǒng)*

鄧誼柏，陳 挺，黃家堯，李婷婷，阮殿波

（1.寧波中車新能源科技有限公司，浙江寧波 315112；2.浙江大學(xué)電氣工程學(xué)院，杭州 310027；3.寧波大學(xué)機(jī)械工程與力學(xué)學(xué)院，浙江寧波 315000）

0 引言

當(dāng)今社會(huì)，電梯已經(jīng)成為人們?nèi)粘９ぷ鳌⑸钪械闹匾ぞ?，也是城?zhèn)化建設(shè)中必不可少的重要建筑設(shè)備之一。隨著中國城鎮(zhèn)化建設(shè)的逐步發(fā)展，房地產(chǎn)市場對(duì)電梯有著剛性需求。同時(shí)，我國人口老齡化問題使得老年群體對(duì)于電梯的需求逐步增加，加快推進(jìn)老舊小區(qū)加裝電梯的政策進(jìn)一步刺激了電梯的市場需求[1]。2018年，中國電梯保有量已經(jīng)達(dá)到了627.8 萬臺(tái)[2]，如圖1 所示，未來的舊電梯的更新需求逐漸增多，促使了電梯市場進(jìn)一步擴(kuò)大。此外，在電梯保有量飛速增長的同時(shí)，電梯安全事故日益頻繁，嚴(yán)重影響人們使用電梯的舒適度和安全性，特別是會(huì)對(duì)高血壓、心臟病等人群的安全產(chǎn)生威脅。因而，電梯的節(jié)能與安全運(yùn)行極為重要。

圖1 中國電梯市場情況

在電梯工作過程中，當(dāng)處于輕載上行和重載下行模式時(shí)，曳引機(jī)作為發(fā)電機(jī)工作，將重力勢(shì)能轉(zhuǎn)化為電能，導(dǎo)致直流母線電壓升高，這部分電能可以收集儲(chǔ)存以重復(fù)利用。目前對(duì)于這部分電能的處理主要有兩種方式：電阻消耗式及饋網(wǎng)式。電阻消耗式完全無法利用曳引機(jī)產(chǎn)生的電能，同時(shí)，由于電阻耗能過程會(huì)產(chǎn)生熱量，機(jī)房中需要額外配置空調(diào)來優(yōu)化機(jī)房環(huán)境，導(dǎo)致了額外的耗能。饋網(wǎng)式直接將曳引機(jī)產(chǎn)生的電能回饋到交流電網(wǎng)中，但是由于電梯實(shí)際運(yùn)行過程中負(fù)載的不確定性很大，導(dǎo)致曳引機(jī)產(chǎn)生的電能質(zhì)量低，無法被樓宇內(nèi)的其他耗電設(shè)備直接利用，且容易對(duì)電網(wǎng)造成沖擊及諧波污染[3]，電梯數(shù)量越多，對(duì)電網(wǎng)的沖擊及諧波污染越嚴(yán)重。

為解決電梯能量儲(chǔ)存問題，有些研究采用蓄電池作為儲(chǔ)能裝置[4]，近年來，隨著超級(jí)電容技術(shù)的發(fā)展，器件成本及性能有了顯著的改善，采用超級(jí)電容儲(chǔ)能的電梯應(yīng)急裝置受到了廣泛關(guān)注[5]。超級(jí)電容器具有比功率高、循環(huán)壽命長、低溫特性好等優(yōu)點(diǎn)[6]，能夠很好地克服曳引機(jī)發(fā)生電能質(zhì)量差的缺點(diǎn)。超級(jí)電容器將曳引機(jī)產(chǎn)生的電能吸收、存儲(chǔ)后，通過DC/DC輸出高質(zhì)量的電能供電梯使用，從而達(dá)到節(jié)能的目的。另外，超級(jí)電容器擁有百萬次循環(huán)壽命，基本可以覆蓋電梯10～15年的服役壽命，減少了后期的維保成本。超級(jí)電容器具有功率密度大、能量密度小的特性，在電梯供電電源突然失電時(shí)，超級(jí)電容儲(chǔ)存的能量足以使電梯就近樓層平層并開門。因此基于節(jié)能和安全的角度，超級(jí)電容非常適合用于電梯設(shè)備[6]。

本文設(shè)計(jì)了一套基于雙電層超級(jí)電容器的電梯節(jié)能系統(tǒng)，在電梯空載上行和滿載下行的過程中吸收電能，在電梯滿載上行和空載下行過程中釋放電能。該系統(tǒng)安裝簡單，無需對(duì)原變頻設(shè)備進(jìn)行改造，在交流電網(wǎng)突然失電的情況下，還可以作為后備電源提供電能，使得轎廂就近平層，保障乘客安全。

1 雙電層超級(jí)電容器工作原理

雙電層電容器（EDLC, Electrical Double-Layer Capacitor）是一種新型的儲(chǔ)能元件，它通常是通過電極與電解液形成的界面雙電層來儲(chǔ)存電荷從而實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)存能量的功能[7-8]，其反應(yīng)過程如圖2所示，由于其充放電過程中不存在化學(xué)反應(yīng)，因此充放電效率高、比功率大、循環(huán)壽命長、溫度特性好，且對(duì)環(huán)境友好，是一種新型儲(chǔ)能裝置。目前市場上的EDLC單體容量從幾十法拉到上千法拉不等，在電動(dòng)客車、港口機(jī)械、軌道交通等領(lǐng)域均有一定的應(yīng)用[9]。

圖2 雙電層電容器工作原理

與電池相比，雖然EDLC比能量小，但是功率密度大，適合大電流頻繁充放，能夠很好地適應(yīng)電梯曳引機(jī)發(fā)出的低質(zhì)量電能，同時(shí)其高達(dá)百萬次的循環(huán)壽命也能較好的匹配電梯的使用壽命，EDLC與電池單體的對(duì)比如表1所示。

表1 EDLC產(chǎn)品與電池性能比較

2 電梯節(jié)能及應(yīng)急平層系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 節(jié)能原理

常規(guī)垂直電梯的基本組成如圖3 所示，當(dāng)變頻器（整流器+逆變器）為雙向型時(shí)，屬于饋網(wǎng)式，曳引機(jī)產(chǎn)生的電能直接回饋至工頻電網(wǎng)；當(dāng)變頻器為單向型、配置有泄放電阻時(shí)，屬于耗能式，曳引機(jī)產(chǎn)生的電能直接通過電阻進(jìn)行消耗。

電梯節(jié)能的基本原理是利用了平衡重與轎廂之間的勢(shì)能差，通過曳引機(jī)將這部分勢(shì)能轉(zhuǎn)化為電能。

圖3 電梯基本組成

設(shè)轎廂的質(zhì)量為M1，額定載重為M2，實(shí)際載重為M3，平衡重質(zhì)量為M4，轎廂運(yùn)行高度為h，根據(jù)電梯設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，M4＝M1+KM2（K＝0.4～0.5），不考慮其他損耗，則在電梯運(yùn)行過程中，產(chǎn)生的勢(shì)能差為：

通過曳引機(jī)發(fā)生或消耗的電能（不考慮損耗）為：

由上式可以看到，對(duì)于一部電梯來說，K、g、M2均為常量，因此其運(yùn)行過程中產(chǎn)生或者消耗的電能僅與實(shí)際載重及運(yùn)行高度有關(guān)，且呈正比關(guān)系。當(dāng)電梯滿載上行（M3＝M2）或者空載下行（M3＝0）時(shí)，曳引機(jī)反饋的電能最大。

2.2 系統(tǒng)組成

雙電層超級(jí)電容節(jié)能系統(tǒng)框圖如圖4 所示，主要由雙電層超級(jí)電容器、雙向DC/DC、泄放電阻、CMS 組成，各部件并聯(lián)在整流器和逆變器之間的直流母線上。

根據(jù)電梯節(jié)能原理可知，當(dāng)電梯重載上行或者輕載下行時(shí)，曳引機(jī)發(fā)生電能，導(dǎo)致直流母線電壓升高，節(jié)能系統(tǒng)檢測(cè)到母線電壓升高后，DC/DC 啟動(dòng)，對(duì)超級(jí)電容充電，穩(wěn)定母線電壓；當(dāng)電梯輕載上行或者重載下行時(shí)，曳引機(jī)消耗電能，導(dǎo)致直流母線電壓降低，節(jié)能系統(tǒng)檢測(cè)到母線電壓下降后，DC/DC 啟動(dòng)，超級(jí)電容對(duì)外放電，與工頻電網(wǎng)共同穩(wěn)定母線電壓，從而減少取自電網(wǎng)的電能，達(dá)到節(jié)能目的；當(dāng)超級(jí)電容或者DC/DC 等部件發(fā)生故障時(shí)，開關(guān)S1吸合，節(jié)能系統(tǒng)切換到泄放電阻模式，曳引機(jī)發(fā)生的電能通過電阻消耗，保證電梯正常運(yùn)行。

圖4 超級(jí)電容節(jié)能系統(tǒng)框圖

2.3 節(jié)能系統(tǒng)能量計(jì)算

雙電層超級(jí)電容器的能量Q計(jì)算公式為：

式中：C為電容值，F(xiàn)；ΔU為電壓變化量，V。

則節(jié)能系統(tǒng)需要的雙電層超級(jí)電容容量：

式中：k是雙電層超級(jí)電容器的充放電效率，通常k≥95%。

需要注意，由于受到DC/DC 工作電壓的限制，雙電層超級(jí)電容器通常會(huì)在額定電壓和半電壓之間使用。

2.4 工作模式

2.4.1 電梯待機(jī)

節(jié)能系統(tǒng)在升壓狀態(tài)，將超級(jí)電容電壓升壓從而維持變頻器直流母線電壓穩(wěn)定在DC600 V，直到超級(jí)電容電壓欠壓為止。電控柜的全部功率都由節(jié)能系統(tǒng)提供，達(dá)到盡快釋放超級(jí)電容能量的目的，使其在電梯運(yùn)行時(shí)有足夠的空間回收能量。

2.4.2 超級(jí)電容吸電

當(dāng)電梯輕載上行（M3＜M4）或重載下行（M3＞M4）時(shí)，曳引機(jī)發(fā)電，節(jié)能系統(tǒng)檢測(cè)到直流母線電壓上升后開始吸收電能，以穩(wěn)定母線電壓。節(jié)能系統(tǒng)對(duì)超級(jí)電容側(cè)電流執(zhí)行嚴(yán)格限流，比如200 A，使充電電流嚴(yán)格小于或等于200 A。

如果節(jié)能系統(tǒng)能完全吸收再生能量，節(jié)能系統(tǒng)將維持變頻器直流母線電壓在DC620 V；如果不能完全吸收，則直流母線電壓持續(xù)上升直到開關(guān)S1吸合，額外能量由泄放電阻消耗掉。

2.4.3 超級(jí)電容釋電

當(dāng)電梯重載上行（M3＞M4）或輕載下行（M3＜M4）時(shí)，曳引機(jī)耗電，節(jié)能系統(tǒng)檢測(cè)到直流母線電壓下降后開始對(duì)外放電，以穩(wěn)定母線電壓，但嚴(yán)格限制超級(jí)電容端放電電流，最大不超過200 A。

如果電梯需求功率小于節(jié)能系統(tǒng)提供功率，則由節(jié)能系統(tǒng)提供全部功率，變頻器直流母線電壓維持在DC600 V；如果電梯需求功率大于節(jié)能系統(tǒng)提供功率，則節(jié)能系統(tǒng)提供部分功率，變頻器直流母線電壓由電網(wǎng)電壓決定。

2.4.4 應(yīng)急平層

關(guān)于電梯的應(yīng)急平層功能，已經(jīng)具有部分應(yīng)用的案列，其功能主要是當(dāng)電梯在運(yùn)行中突然發(fā)生斷電后該系統(tǒng)自動(dòng)啟動(dòng)使轎廂在就近層站?？?，層轎門開啟，乘客即時(shí)安全疏散。然而，如果系統(tǒng)考慮不當(dāng)，反而會(huì)引起電梯出現(xiàn)新的問題。2001年和2003年分別就發(fā)生了2 起由于應(yīng)急平層裝置引發(fā)的電梯事故[10]。

本方案設(shè)計(jì)的應(yīng)急平層功能主要是從前端供電側(cè)進(jìn)行優(yōu)化。市電停電而電梯待機(jī)時(shí)，節(jié)能系統(tǒng)給電梯提供全部功率，并將失電信息傳輸給電梯控制系統(tǒng)，電梯將停止召喚請(qǐng)求，打開轎門，停止工作；電梯運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，節(jié)能系統(tǒng)向變頻器直流母線供電，并將失電信息傳輸給電梯控制系統(tǒng)，電梯應(yīng)立即減速并停泊至最近樓層，停止召喚請(qǐng)求，打開轎門，停止工作。不論是何種狀態(tài)下停電，乘客都沒有劇烈的停頓感，不會(huì)立即感受到停電的恐懼，電梯均會(huì)逐步減速停止，防止乘客人身事故，提高乘客乘坐體驗(yàn)感。

2.5 樣機(jī)試驗(yàn)

為驗(yàn)證本系統(tǒng)實(shí)際節(jié)能效果，研制了一臺(tái)樣機(jī)，樣機(jī)實(shí)物如圖5所示，并將本系統(tǒng)安裝到某樓宇的機(jī)房內(nèi)進(jìn)行連續(xù)7天試運(yùn)行。運(yùn)行結(jié)果如圖6所示。

圖5 樣機(jī)外觀圖

圖6 測(cè)試結(jié)果

從圖中可以看到，隨著本超級(jí)電容節(jié)能系統(tǒng)的介入，電梯耗電量有明顯的下降，平均節(jié)電率在30%以上。由于實(shí)驗(yàn)電梯本身帶有耗能電阻，在節(jié)能系統(tǒng)介入前后，使用測(cè)溫槍分別對(duì)電梯本身電阻進(jìn)行了溫度測(cè)量，數(shù)據(jù)顯示，耗能電阻溫度從節(jié)能系統(tǒng)介入前的71.8 ℃下降到了27.4 ℃，有效改善機(jī)房溫度環(huán)境，降低對(duì)機(jī)房空調(diào)功率的需求，有利于進(jìn)一步降低電梯機(jī)房能耗。

3 結(jié)束語

本文設(shè)計(jì)了一套基于雙電層超級(jí)電容器的電梯節(jié)能及應(yīng)急平層系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以吸收電梯運(yùn)行過程中曳引機(jī)發(fā)生的電能，并在電梯耗電時(shí)對(duì)直流母線進(jìn)行饋能，既降低了電梯能耗，又避免了對(duì)工頻電網(wǎng)的諧波污染，系統(tǒng)安裝簡單，可靠性高，經(jīng)過樣品試驗(yàn)，節(jié)電率大于30%，節(jié)能效果良好。