带有超级电容储能的永磁同步电机—电梯曳引系统

2014-12-18杨光

电子科技 2014年11期

杨光

(北方工业大学电力电子与电力传动北京市工程研究中心，北京 100144)

电梯作为日常生活必需的电气装置，为人们带来便利。近些年来，永磁同步电机作为电梯的曳引电机以其优良的控制性能得到了市场的高度认可［1－2］。而随着能源问题的日益突出，节能已成为当今时代的大主题。电梯是日常生活中的大型能源消耗装置，其曳引电机工作特性为四象限运行，当其工作在二四象限时，会有较大的能量反馈。传统做法是在直流母线端并联耗能电阻或逆变装置来处理反馈的能量［3－4］。本文对超级电容储能在永磁同步电机—电梯曳引系统中的应用进行了研究，并对系统运行性能和节能效果进行了分析。

1 永磁同步电机—电梯曳引系统

在常见永磁同步电机—电梯曳引系统中，主要包括供电电网、变频器、曳引电机和电梯负载等部分，其结构如图1所示。

图1 电梯系统结构图

电梯负载为位能性负载，当电梯运行于满载上行和空载下行时，曳引电机工作在一三象限，曳引电机处于电动状态;当电梯运行于满载下行和空载上行时，曳引电机工作于二四象限，曳引电机处于放电状态，此时曳引电机会反馈回直流母线大量能量。通常的做法是将这部分反馈能量通过在直流母线并联耗能电阻处理掉，如图2(a)所示。对于电梯负载来说，其工作需求导致其将长期处于发电状态，采用以上做法会导致较多能量被消耗。

针对上述问题，目前市场上的主要解决方法是通过另设逆变电路或者将系统前端的不控整流变为可控整流，把反馈电能再次转换成三相交流电反馈至公共电网，如图2(b)和图2(c)所示。此方法可以提高电能使用效率，有很多科研机构和企业在这一领域己经取得了一定的成果。但其缺点是进行实时反馈时，反馈的能量难以保证与交流电网的频率和相位保持一致，且反馈成分中的高频部分会影响电网的稳定性。针对以上情况，研究更为高效、安全、稳定的电梯节能技术势在必行。

图2 常见的永磁同步电梯曳引系统图

2 基于超级电容储能的曳引系统

通过外带储能装置对电梯曳引系统进行节能控制是目前热门的研究方向。带有储能装置的永磁同步电梯曳引系统的具体结构如图3所示。其中储能装置和电梯系统之间通过双向DC/DC变换器来实现能量流动。

目前储能装置主要有电池和超级电容两种，与电池相比，超级电容具有以下优点:超级电容可以弥补常用蓄电池功率密度小的缺陷，对普通电容能量密度小的不足也进行了改进，同时超级电容充放电速度快，效率高，可靠性好。所以本文采用超级电容来实现系统节能。

图3 带储能装置的永磁同步电机—电梯曳引系统图

2.1 系统控制策略

带有超级电容的永磁同步电机—电梯曳引系统的控制策略应符合以下原则:在满足曳引机功率需求的情况下，最大程度地发挥超级电容回收能量的能力，在曳引电机处于电动状态时将能量释放，实现节能最大化，由此，可得到系统控制策略如表1所示。

表1 电梯系统控制策略

2.2 双向DC/DC变换器及其控制方式

本文采用非隔离型双向DC/DC变换器，其拓扑结构如图4所示。该类型的变换器结构简单，开关管的电压尖峰问题不严重，效率高，适用于大功率场合。

图4 Buck－Boost型双向DC/DC拓扑图

充电时，系统的能量从直流母线流向超级电容，开关S1和二极管D2工作，双向 DC－DC变换器工作在Buck状态，负载为超级电容;放电时，系统的能量是从超级电容流向变频器直流母线，开关S2和二极管D1工作，双向DC－DC变换器工作在Boost状态，负载为与直流母线相连的逆变器。

该变换器电路由开关器件构成，可知其为非线性系统。因变换器开关频率远高于调制频率，所以可利用传递函数和线性化技术建立数学模型［5］。考虑到电感和电容器的内阻，其Buck电路的小信号等效电路如图5所示。

图5 Buck电路的交流小信号等效电路

根据图5及此处研究的双向变换电路，R值可认为较大，其传递函数为

式中，D为图5中变压器变比。

Boost电路的交流小信号等效电路如图6所示，其传递函数为

式中，D为图6中变压器变比。

图6 Boost电路的交流小信号等效电路

由上述数学模型可知，系统为小阻尼二阶系统，系统的稳定裕度小，转折频率附近会有一定的震荡，系统开环性能较差，所以为了使系统在各种工况条件下均能输出稳定的电压和电流，控制系统采用电压外环和电流内环的双闭环控制方式，其原理框图如图7所示。

图7 双闭环控制原理框图

3 超级电容储能主要参数设计

电梯系统的曳引电机参数已知时，可通过式(3)求得电梯运行单个工况周期所需的能量

式中，P为曳引电机实时功率。

基于超级电容储能能力满足电梯运行一个工况周期的原则，可由式(4)得到超级电容容值

式中，ρ为储能装置工作效率;η为节能率;Q为电梯一个工况周期所需能量。

双向DC/DC变换器主要参数包括共用电感L和稳压电容C。电感L和电容C可由下式求得

式中，D是双向DC/DC变换器的占空比，D=VC/VDC;ΔiL是电容允许通过最大电流纹波;ΔVDC是电容允许通过最大电压纹波值;fPWM是开关管开关频率。

4 仿真分析

本文在Matlab/Simulink环境下建立了永磁同步电机—电梯曳引系统的仿真模型，如图8所示［6－8］。

图8 带超级电容储能的电梯系统仿真模型

仿真模型中包括主回路、电机控制回路、超级电容储能装置3部分。由上文中超级电容计算公式可以求得给定实验条件下的超级电容容值。超级电容充放电效率受其SOC(荷电状态)影响，通常超级电容SOC应＞0.5，同时一般的电容器均会有约10% ～20%的容量偏差，所以设置超级电容限值时应充分考虑以上两点。系统主要参数如表2所示。

表2 仿真参数

系统工作在额定负载运行情况下，电梯曳引电机的运行状态如图9和图10所示。由图9可知，电梯曳引电机实际转速能够较好地跟随给定，动态过程超调＜2%，其运行过程中转矩输出平稳，稳态运行时A相电流具有良好的正弦性，因此，该系统具有较好的控制性能。

图9 电梯曳引机运行状态

由图10(a)和图10(b)可知，当电梯上行，超级电容放电，超级电容两端电压下降，电流变大。当电梯下行，超级电容充电，超级电容两端电压上升，电流变小，整个运行过程，电压电流变化较为平稳。图10(c)所示为超级电容输出功率和电梯曳引电机输出功率的对比。图10(d)所示为系统运行过程中，超级电容的能量变化与电梯曳引系统能量变化之间的对比。其中电梯运行单个周期所需最大能量为5.56 kJ，该运行过程中超级电容所吸收能量为3.27 kJ，由上可知，在忽略实际机械损耗和变频器工作效率的情况下，整个运行过程中系统节约了58.8%的能量。

5 结束语

在永磁同步电机—电梯曳引机系统中引入超级电容储能环节，并通过双闭环控制方法来实现超级电容的充放电。由仿真可知，系统动态过程转速超调＜2%，稳态过程转矩转速静态误差＜1%。系统额定负载运行单个周期能够节约58%的系统能量。仿真结果表明，该系统具有良好的运行性能，同时实现了较好的节能效果。该系统仍然存在一定不足，本文提出的仿真条件为系统工作在理想状况下，在实际应用中，机械损耗和变频器工作效率等会对节能效果造成一定影响，同时电容的充放电和能耗电阻切换会在一定程度上影响电梯的速度的恒定，从而对舒适性和安全性造成影响，这些都需要在下一步工作中进行改进。