在电梯电力系统中来自多个来源的电力的管理

摘要

管理电梯系统中的能量，该电梯系统包括电梯升降马达(12)、主电源(20)和电能存储(EES)系统(32)。确定该电梯升降马达的电力需求，并且确定该EES系统的荷电状态(SOC)。该升降马达、该主电源和该EES系统之间交换的电力基于该升降马达的电力需求和该EES系统的SOC而被控制。

说明书

相关申请的交叉引用

本申请具有涉及同在审批中的与本申请同日提交的PCT申请PCT/US_/____的公开，其是由Stella M.Oggianu、Robert K.Thornton、Vladimir Blasko、William A.Veronesi、Lei Chen和Daryl J.Marvin的Otis电梯公司的名称为“Management of Power from Multiple Source in an Elevator Power System(在电梯电力系统中来自多个来源的电力的管理)”。

技术领域

本发明涉及电力系统。更具体地，本发明涉及用于管理来自多个来源的电力以解决电梯系统中的电力需求的系统。

背景技术

用于操作电梯的电力需求在从使用外部生成的电力(例如来自电力公用网等)的正值到电梯中的负载驱动马达使得它作为发电机而产生电力的负值的范围中变化。马达作为发电机产生电力的用途通常叫做再生。在常规的系统中，如果再生能量没有提供给电梯系统的另一个部件或返回公用电网，它通过动态制动电阻器或其他负载耗散。在该配置中，甚至在峰值电力状况期间(例如，当多个马达同时起动时或在高需求时段期间)，所有需求保持在电力公用网上以向电梯系统供电。从而，传递来自电力公用网的电力的电梯系统的部件需要大小合适以适应峰值电力需求，这可具有更大成本并且需要更大空间。同样，耗散的再生能量没有被使用，由此降低了电力系统的效率。

另外，电梯驱动系统典型地设计成在来自电源的特定输入电压范围上操作。该驱动器的部件具有允许驱动器连续操作的额定电压和电流同时电源保持在指定的输入电压范围内。在常规系统中，当公用电网电压跌落时，电梯系统故障。在常规系统中，当公用电网电力故障发生或在差的电力质量状况下，电梯可变为在电梯井道中楼层之间停运直到电源返回到正常操作。

电梯驱动系统可包含次电源，其被控制成在正电力需求时段期间传递补充电力给电梯升降马达，并且在零或负电力需求时段期间存储来自公用电力网和/或电梯升降马达的电力。例如，美国专利号6,431,323，Tajima等人描述了电梯驱动系统，其包括电力存储设备和用于基于充电目标值(例如，基于一天的时刻的电荷值)控制该电力存储设备的充电和放电操作的控制器。然而，该类型的控制器不提供用于计量该电梯驱动系统的未来能量需求的直接方法，并且不控制该电力存储设备的上和下荷电极限(charge limit)。

发明内容

本发明涉及管理电梯系统中的能量，其包括电梯升降马达、主电源和电能存储(EES)系统。确定该电梯升降马达的电力需求，并且确定该EES系统的荷电状态(SOC)。该升降马达、该主电源和该EES系统之间交换的电力基于该升降马达的电力需求和该EES系统的SOC而被控制。

附图说明

图1是包括用于管理来自多个来源的电力的控制器的电梯电力系统的示意图。

图2是用于控制由主电源和EES系统解决的电梯升降马达需求的份额(share)的电能存储(EES)系统控制器的框图。

图3是用于管理电梯升降马达、主电源和电能存储(EES)系统之间交换的电力的过程的流程图。

图4是作为EES系统的荷电状态(SOC)的函数的由EES系统解决的电力需求的比例曲线图。

具体实施方式

图1是电力系统10的示意图，其包括主电源20、电力转换器22、电力总线24、平滑电容器26、电力逆变器28、电压调整器30、电能存储(EES)系统32、EES系统控制器34和驱动控制器36。电力转换器22、电力总线24、平滑电容器26和电力逆变器28包括在再生驱动器29中。主电源20可是公用电网，例如市电源等。EES系统30包括能够存储电能的装置或多个装置。电梯14包括电梯轿厢40和配重42，其通过绳索44连接到升降马达12。电梯14还包括负载传感器46，其连接到驱动控制器36，用于测量电梯轿厢40中的负载的重量。

如将在本文中描述的，电力系统10配置成作为电梯升降马达12的电力需求(正或负)和EES系统32的荷电状态以及电网使用规格的函数控制在电梯升降马达12、主电源20和/或EES系统32之间交换的电力。例如，当电梯升降马达12的电力需求是正的时，电力系统10采用作为需求的大小和EES系统32的荷电状态的函数的比率从主电源20和EES系统32驱动升降马达12。作为另一个示例，当电梯升降马达12的电力需求是负的时，电力系统10采用作为EES系统32的荷电状态的函数的比率提供由电梯升降马达12生成的电力给电源20和EES系统32。电力系统10还当电梯升降马达12的电力需求大约是零时控制主电源20和EES系统32之间的配电，并且在主电源20的故障的情况下控制EES系统32和电梯升降马达12之间的配电。

电力转换器22和电力逆变器28通过电力总线24连接。平滑电容器26跨接电力总线24连接。主电源20提供电力给电力转换器22。电力转换器22是可操作成将来自主电源20的三相AC电力转换成DC电力的三相电力逆变器。在一个实施例中，电力转换器22包括多个功率晶体管电路，其包括并联连接的晶体管50和二极管52。每个晶体管50可是例如绝缘栅双极晶体管(IGBT)。每个晶体管50的受控电极(即，栅极或基极)连接到驱动控制器36。驱动控制器36控制功率晶体管电路以将来自主电源20的三相AC电力转换成DC输出电力。该DC输出电力由在电力总线24上的电力转换器22提供。平滑电容器26平滑由在DC电力总线24上的电力转换器22提供的整流电力。注意尽管主电源20示为三相AC电源，电力系统10可适应于接收来自任何类型电源的电力，其包括(但不限于)单相AC电源和DC电源，这是重要的。

电力转换器22的功率晶体管电路还允许在电力总线24上的电力被逆变并且提供给主电源20。在一个实施例中，驱动控制器36采用脉冲宽度调制(PWM)以产生选通脉冲以便周期性地开关电力转换器22的晶体管50以提供三相AC电力信号给主电源20。该再生配置减少对主电源20的需求。

电力逆变器28是三相电力逆变器，其可操作成将来自电力总线24的DC电力逆变为三相AC电力。电力逆变器28包括多个功率晶体管电路，其包括并联连接的晶体管54和二极管56。每个晶体管54可是例如绝缘栅双极晶体管(IGBT)。每个晶体管54的受控电极(即，栅极或基极)连接到驱动控制器36，其控制功率晶体管电路以将在电力总线24上的DC电力逆变为三相AC输出电力。在电力逆变器28的输出的三相AC电力提供给升降马达12。在一个实施例中，驱动控制器36采用PWM以产生选通脉冲以周期性地开关电力逆变器28的晶体管54以提供三相AC电力信号给升降马达12。驱动控制器36可通过调节到晶体管54的选通脉冲的频率、相位和大小改变电梯14移动的速度和方向。

另外，电力逆变器54的功率晶体管电路可操作成整流当电梯14驱动升降马达12时生成的电力。例如，如果升降马达12正在发电，驱动控制器36控制在电力逆变器28中的晶体管54以允许生成的电力被转换并且提供给DC电力总线24。平滑电容器26平滑由在电力总线24上的电力逆变器28提供的转换电力。在DC电力总线24上的再生电力可用于给EES系统32的存储元件再充电，或可返回如上文描述的主电源20。

升降马达12控制在电梯轿厢40和配重42之间移动的速度和方向。驱动升降马达12要求的电力随电梯14的加速度和方向以及电梯轿厢40中的负载改变。例如，如果电梯轿厢40正在加速，其带有大于配重42的重量的负载(即，重负载)上行，或带有小于配重42的重量的负载(即，轻负载)下行，需要电力以驱动升降马达12。在该情况下，升降马达12的电力需求是正的。如果电梯轿厢40带有重负载下行或带有轻负载上行，电梯轿厢40驱动升降马达12并且再生能量。在负电力需求的该情况下，升降马达12生成AC电力，其由电力逆变器28在驱动控制器36的控制下转换成DC电力。如上文描述的，转换的DC电力可返回主电源20，用于给EES系统32再充电，和/或在跨接电力总线24连接的动态制动电阻器中耗散。如果电梯14用平衡负载以固定速度运行或调平(leveling)，它可使用较少量的电力。如果升降马达12既不开动也不发电，升降马达12的电力需求近似为零。

应该注意尽管单个升降马达12示出连接到电力系统10，电力系统10可以修改成向多个升降马达12供电。例如，多个电力逆变器28可跨接电力总线24并联连接以提供电力给多个升降马达12。另外，尽管EES系统32示出连接到DC电力总线24，EES系统32可备选地连接到电力转换器22的三相输入中的一相。

EES系统32可包括能够存储电能的一个或多个装置，其串联或并联连接。在一些实施例中，EES系统32包括至少一个超电容器，其可包括对称或不对称超电容器。在其他实施例中，EES系统32包括至少一个次或可再充电电池，其可包括镍镉(NiCd)、铅酸、镍金属氢化物(NiMH)、锂离子(Li-ion)、锂离子聚合物(Li-Poly)、铁电极、镍锌、锌/碱性/二氧化锰、锌溴流、钒流和钠硫电池中的任何电池。在其他实施例中，例如飞轮等其他类型的电或机械装置可以用于存储能量。EES系统32可包括一个类型的存储装置或可包括存储装置的组合。

电力系统10用主电源20和EES系统32两者解决升降马达12的电力需求。这减少对主电源20的总体电力需求，其允许减小将电力从主电源20传递到电力系统10的部件(例如，电力转换器22)的尺寸(因此降低成本)。另外，通过作为EES系统32的荷电状态的函数控制由它提供的电力的份额，延长EES系统32的寿命。此外，电力系统10可以通过将电力传递到EES系统32和从EES系统32传递电力以解决升降马达12的需求，从而在主电源10故障后提供救援和延长的服务操作。

图2是用于控制由主电源20和EES系统32解决的电梯升降马达12的需求的份额的EES系统控制器34的框图。EES系统控制器34包括能量管理模块60、电流限制模块62和荷电状态(SOC)估计器64。再生驱动器29提供电力总线电压信号V_dc给电压调整器30，电压调整器30还接收参考电压信号V_{dc_ref}作为输入。电压调整器30提供参考电流信号I_{dc_ref}给能量管理模块60，能量管理模块60还接收参考荷电状态信号SOC_ref作为输入。能量管理模块60提供电流信号I_EES^a和I_grid^a给电流限制模块62，其将电流信号I_EES^b和I_grid^b反馈回能量管理模块60。从EES系统32接收温度信号T_EES、电流信号I_EES和电压信号V_EES的SOC估计器64提供EES系统荷电状态信号SOC给能量管理模块60。电流限制模块62提供EES系统电流参考信号I_{EES_ref}和主电源电流参考信号I_{grid_ref}给驱动控制器36。

图3是用于管理电梯升降马达12、主电源20和EES系统32之间交换的电力的过程的流程图。当使电梯14进入操作，确定电梯升降马达12的电力需求(步骤70)。在一些实施例中，电压调整器30测量电力总线24的电压V_dc以确定升降马达12的电力需求是正的、负的还是空闲的。在其他实施例中，驱动控制器36测量电梯轿厢40中的负载的重量(使用负载传感器46)以确定升降马达12的电力需求。在再其他系统中，将瞬时转矩和获得的加速的直接或间接估计与期望加速值进行比较以计算电力需求。

SOC估计器模块64然后估计EES系统32的SOC(步骤72)。EES系统32的估计的SOC基于EES系统32的温度T_EES、电压V_EES和电流I_EES中的任何或所有。作为到SOC估计器模块64的输入所接收的这些参数用于估计EES系统32的SOC。与EES系统32的估计的SOC有关的信号提供给能量管理模块60。

升降马达12、主电源20和EES系统32之间交换的电力然后基于升降马达12的电力需求和EES系统32的荷电状态而被控制(步骤74)。电压调整器30基于电力总线24的电压V_dc和参考电力总线电压信号V_{dc_ref}生成电力总线参考电流信号I_{dc_ref}以建立需要解决的升降马达12的电力需求。如果升降马达12的电力需求是正的或负的，能量管理模块60确定由主电源20和EES系统32中的每个所解决的升降马达电力需求的份额。由能量管理模块60采用以确定由主电源20和EES系统32解决的电力需求的比例的算法将在下文更详细地描述。能量管理模块60分别生成与由EES系统32和主电源20解决的电力需求份额有关的电流参考信号I_EES^a和I_grid^a，并且提供这些信号给电流限制模块62。电流限制模块62分别确定电流参考信号I_EES^a和I_grid^a是否高于对EES系统32和主电源20设置的电流阈值。如果电流参考信号高于阈值，电流限制模块62重新计算将处于或低于阈值的电流参考信号并且分别提供EES系统32和主电源20的参考电流信号I_EES^b和I_grid^b。当能量管理模块60提供低于电流阈值的参考电流信号I_EES^a和I_grid^a时，分别与EES系统32和主电源20的电力需求份额有关的参考电流信号I_{EES_ref}和I_{grid_ref}提供给驱动控制器36。结合的I_{EES_ref}和I_{grid_ref}完全解决如由电力总线参考电流I_{dc_ref}建立的升降马达12的电力需求。驱动控制器36然后控制再生驱动器29和EES系统控制器34以按参考电流信号I_{EES_ref}和I_{grid_ref}的比例分别用EES系统32和主电源20解决升降马达12的电力需求。更具体地，EES系统32解决表达为I_{EES_ref}/I_{dc_ref}的升降马达电力需求的比例并且主电源20解决表达为I_{grid_ref}/I_{dc_ref}的升降马达电力需求的比例。

如上文论述的，能量管理模块60计算EES系统32和主电源20对于解决电梯升降马达12的电力需求的贡献。当升降马达电力需求是正的时，能量管理模块60首先基于电力总线参考电流信号I_{dc_ref}的大小确定电力需求是否低于最小阈值。如果电力需求小于或等于最小阈值，能量管理模块60生成参考电流信号I_EES^a和I_grid^a，其提供了所有电力需求将由主电源20解决。该方式维持EES系统32的电荷同时对主电源20的汲取是最小的。

在正常状况下，当电力需求大于最小阈值时，能量管理模块60基于EES系统32的SOC计算由主电源20和EES系统32供应的电力的比例。EES系统32的SOC被控制成维持SOC在SOC范围内。在一些实施例中，随着SOC减少，由EES系统32解决电梯升降马达12的总电力需求的更少量。通过控制EES系统32的摆动荷电极限，延长EES系统32的寿命。

为了图示，图4是作为EES系统32的SOC的函数的由EES系统32解决的电力需求的比例的曲线图。在图4中，EES系统32的SOC维持在大约最小荷电状态SOC_min和最大荷电状态SOC_max之间。通过示例，SOC_min在图4中示为容量的大约23％并且SOC_max示为容量的大约82％。能量管理模块60提供信号以在范围的下限(P_{EES_min})从EES系统32供应电力的大约60％给升降马达12。由EES系统12供应的比例线性改变到范围的上限(P_{EES_max})，此处能量管理模块60提供信号以从EES系统32供应电力的大约80％给升降马达12。SOC_min、SOC_max、P_{EES_min}和P_{EES_max}的设置可被调节以优化电力系统10的性能，如由邻近图4中的这些标签中的每个的箭头指示的。

如果EES系统32的SOC降至SOC_min下，而升降马达12的电力需求是正的，则能量管理模块60可提供信号以使所有电力由主电源20供应直到EES系统32被再充电。为了最小化在该时间期间从主电源20汲取的电力对电源的影响，电梯轿厢40的速度可被调节以减少升降马达12的电力需求。

当升降马达12的电力需求是负的，应用相似的算法以将来自升降马达12的再生电力返回主电源20和EES系统32。即，再生电力按作为EES系统32的SOC的函数的比率返回主电源20和EES系统32。当EES系统32的SOC在或低于最小阈值SOC，能量管理模块60生成信号，其使升降马达12生成的所有能量存储在EES系统32中。最小阈值SOC可或可以不与在图4中示出的SOC_min相同。例如，在达到SOC_min之前开始存储所有再生能量给EES系统32以确保EES系统32的SOC不降至SOC_min以下可以是优选的。

当EES系统32的SOC在或高于最大阈值SOC，能量管理模块60生成信号，其使升降马达12再生的所有能量传递给主电源20。最大阈值SOC可或可以不与在图4中示出的SOC_max相同。例如，在达到SOC_max之前开始传递所有再生电力给主电源20以确保EES系统32的SOC不超过SOC_max可以是优选的。为了最小化在该时间期间传递给主电源20的电力对电源的影响，电梯轿厢40的速度可被调节以减少升降马达12的电力需求。

当EES系统32的SOC在最小阈值SOC和最大阈值SOC之间时，能量管理模块60生成信号，其使再生电力按作为EES系统32的SOC的函数的比率传递给主电源20和EES系统32两者。在一些实施例中，当SOC更靠近最小阈值SOC时比当SOC更靠近最大阈值SOC时传递更大分数的再生电力给EES系统32。

当升降马达12的电力需求大约是零时(即，升降马达12既不开动也不再生电力)，能量管理模块60监测EES系统32的SOC并且生成信号以使主电源20作为EES系统32的SOC的函数提供电力给EES系统32。在一些实施例中，由主电源20提供给EES系统32的电力由以下确定：

$>P_{\mathrm{grid}\_\mathrm{idle}}=\frac{{\mathrm{SOC}}_{\max }-\mathrm{SOC}}{{\mathrm{SOC}}_{\max }-{\mathrm{SOC}}_{\min }}{P}_{\mathrm{grid}\_\max \_\mathrm{idle}}$>(方程1)

其中SOC_min和SOC_max限定EES系统32维持在其内的SOC范围，并且P_{grid_max_idle}是当电力需求大约是零时可以从主电源20汲取的最大电力。从而，当EES系统32的SOC大于或等于SOC_max，没有另外的电力从主电源20提供给EES系统32。

在主电源20故障情况下，EES系统32解决升降马达12的所有需求。能量管理模块60监测EES系统32的SOC并且当SOC高于救援操作最小阈值SOC时在正需求时段期间生成信号以使EES系统32提供驱动升降马达12需要的所有能量。例如，只要EES系统32的SOC高于SOC容量的20％，EES系统32可驱动升降马达12。另外，当SOC低于救援操作最大阈值SOC时在负需求的时段期间，能量管理模块60生成信号以使EES系统32存储由升降马达12生成的所有能量。例如，只要EES系统32的SOC低于SOC容量的90％，EES系统32可存储升降马达12生成的所有能量。当EES系统32的SOC高于救援操作最大阈值SOC时，由升降马达12生成的任何额外电力可用动态制动电阻器或类似物耗散或可停止电梯。通过在主电源20故障期间控制EES系统32在其中操作的SOC范围，延长EES系统32的寿命。

在备选实施例中，能量管理模块60基于设置的配电比率控制由主电源20和EES系统32解决的升降马达电力需求的比率。在该实施例中，能量管理模块60生成信号，其使主电源20解决设置百分比的升降马达12的电力需求，同时EES系统32解决升降马达电力需求的剩余部分。维持该设置百分比而不管EES系统32的SOC，但该设置百分比可被调节以优化电力系统10的性能。

在正升降马达电力需求时段期间，主电源20提供设置百分比的电力以驱动升降马达12，并且EES系统32提供满足需求必须的剩余电力。为了进一步控制传递来自主电源20的电力的部件的尺寸，最大电力阈值可由能量管理模块60推行，能量管理模块60在正电梯升降马达需求时段期间建立从主电源20供应的电力的最大量。

在负升降马达电力需求时段期间，由升降马达12生成的电力的设置百分比传递给主电源20。由升降马达12生成的剩余电力传递给EES系统32。当确定多少再生的电力要存储在EES系统32中时EES系统控制器34还可考虑EES系统32的SOC。例如，如果SOC接近EES系统32维持在其内的SOC范围的上限，一部分再生电力可在DC电力总线24上耗散，例如通过在动态制动电阻器中耗散电力。

当升降马达12的电力需求大约是零时(即，升降马达12是空闲的)，能量管理模块60生成信号，其使主电源20给EES系统32再充电。由主电源20供应给EES系统32的电量可是EES系统32的SOC的函数，例如在上文的方程1中表达的。

在主电源20故障期间，EES系统32解决升降马达12的所有电力需求。从而，如果升降马达12的电力需求是正的，EES系统32供应电力以满足所有需求，并且如果升降马达12的电力需求是负的，EES系统32存储由升降马达12生成的所有电力。与上文描述的实施例相似，EES系统32可被控制成作为EES系统32的SOC的函数并且仅当EES系统32的SOC在某个范围内时解决升降马达电力需求。

总的来说，本发明涉及管理电梯系统中的电力，其中包括电梯升降马达、主电源和电能存储(EES)系统。确定该电梯升降马达的电力需求，并且确定该EES系统的荷电状态(SOC)。该升降马达、该主电源和该EES系统之间交换的电力基于该升降马达的电力需求和该EES系统的SOC而被控制。通过控制由主电源解决的电力需求的量，可减小传递来自主电源的电力的电力系统的部件的尺寸和成本。另外，EES系统的寿命可通过控制EES系统的SOC范围而延长。

尽管本发明已经参考优选实施例描述，本领域内技术人员将认识到可在形式和细节中做出变化而不偏离本发明的精神和范围。