基于双能量存储模式的电梯节能装置及其控制运行方法

摘要

本发明提供一种基于双能量存储模式的电梯节能装置及其控制运行方法。本发明采用双向直流变换器控制的由超级电容模组和蓄电池模组组成的双能量储存系统，分别用于存储和提供暂态能量和稳态能量，实现节能的目的。同时采用电压自动切换技术，实现电梯节能装置供电和电网供电两通道的无缝自动切换，使得节能装置的安装和使用不影响在用电梯使用的安全性和可靠性。理论分析和实验结果均证明所设计的基于双能量存储模式的电梯节能装置是可行和有效的。采用本发明的技术可为电梯节能 45%以上。

说明书

技术领域

本发明属于能源供电领域，具体涉及一种基于双能量存储模式的电梯节能装置及其控制运行方法。

背景技术

电梯服务时轿厢沿固定轨道往返运行，是一种周期性运动。其运行过程不断将电能转化为电梯及其运输对象的机械能（电动状态）；或将机械能转化为电能（再生发电状态），能量的流动和变化趋势也带有周期倾向。采用类似傅立叶分析的方法，可以将电梯运行所引起的交换能量分解为暂态能量和稳定能量这两种能量模式。

暂态能量对应电梯自身状态改变所引起的能量交换部分。一部空载电梯上下全程运行一次(运行一个来回)，考察电梯及其运输对象的首末状态，空载电梯还是在原先的位置，其状态未发生变化，所拥有的能量也没有变。空载电梯运行一周，电梯与外界交换能量的累积和为零，即电梯与外界没有发生能量转移。空载电梯运行一周时能量流动状况，上行时电梯工作在再生发电状态，对外释放出再生能量；下行时电梯工作在电动状态，对外吸收能量。理想情况下，空载电梯在发电状态发出的能量应该等于其在电动状态所消耗的能量，空载电梯运行一周，电梯与外界所交换能量的累积和为零，与电梯实际的能量状态一致。但空载电梯运行过程中，不同位置的电梯，其能量状态在不断的改变，电梯也不断地与外界发生能量交换。此时，电梯由于自身状态发生改变而与外界所交换的能量称为暂态能量。根据上述设定可知，电梯上行时对外释放出暂态能量；下行时对外吸收暂态能量；电梯运行一个周期，暂态能量的累积和为零。

稳态能量对应电梯运输对象状态改变所引起的能量交换部分。一名上班乘客从大楼的最底层乘坐电梯到达工作楼层后，在办公室开展工作，短时不再乘坐电梯，电梯空载返回大楼的最底层侯梯。考察电梯及其运输对象的首末状态，电梯的状态没有变化，其自身所拥有的能量没有改变；乘客位置由最底层变化到办公楼层，增加了其所在办公楼层高度所对应的重力势能，电梯及其运输对象的整体能量增加了。电梯需从外界吸收能量，转化为该名乘客在办公楼层所对应的重力势能。装载一名乘客的电梯运行一周时能量流动状态：上行时电梯工作在再生发电状态，对外释放出再生能量，但由于乘客的存在，电梯曳引机两侧重量差减少，其所释放的再生能量总量也少于空载上行的电梯；电梯下行时，是空载电梯下行，电梯工作在电动状态，对外吸收能量。运行一周，电梯在发电状态释放出的能量总量小于其在电动状态所消耗的能量总量，电梯与外界所交换能量的累积和不为零，少了电梯乘客在办公楼层所对应的重力势能，与电梯及其运输对象实际的能量状态一致。反之，该乘客从办公楼层下来，电梯上行时是空载电梯上行，释放出再生能量；下行时是轻载电梯下行，对外吸收能量，但其所吸收的能量总量少于空载下行的电梯。电梯在发电状态发出的能量总量大于其在电动状态所消耗的能量总量，电梯与外界所交换能量的累积和不为零，多了电梯乘客所减少的重力势能所对应的能量，与电梯及其运输对象实际的能量状态也一致。因此，电梯由于运输对象状态改变而与外界所交换的能量称为稳态能量。根据上述设定可知，对于电梯运输对象，电梯上行时对外吸收稳态能量；下行时对外释放出稳态能量；电梯运行一个周期稳态能量的累积和为电梯运输对象重力势能的变化量所对应的能量总量。

电梯运行时与外界的交换能量是暂态能量和稳态能量的代数和。电梯空载或轻载上行时，对外释放的暂态能量大于对外吸收的稳态能量，其代数和小于零，总体对外释放再生能量，电梯工作在再生发电状态；反之，电梯重载上行时，对外释放的暂态能量小于对外吸收的稳态能量，其代数和大于零，总体对外吸收能量，电梯工作在电动状态。下行的电梯具有类似的过程。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于双能量存储模式的电梯节能装置及其控制运行方法。

本发明采用以下技术方案实现：一种基于双能量存储模式的电梯节能装置，其特征在于：包括：电梯变频器，外部供电电网通过电梯变频器向电梯供电；双能量存储系统，所述双能量存储系统并联于电梯变频器直流母线的两端；所述双能量存储系统包括依次连接的第一双向直流变换器、超级电容模组、第二双向直流变换器、蓄电池模组；微处理系统，所述微处理系用于控制双能量存储系统；电梯状态检测电路，所述电梯状态检测电路用于检测电梯运行状态；所述电梯状态检测电路将检测结果传送至微处理系统；以及故障提示及处理电路；所述故障提示及处理电路由微处理系统控制。

本发明还提供一种基于双能量存储模式的电梯节能装置的控制方法，其特征在于：包括以下步骤：S1：当电梯工作在再生发电状态时，电梯曳引机所发出的再生电能通过变频器逆变电路整流后，转变成直流电能存储在变频器的直流母线内；电梯状态检测电路检测到电梯工作在再生发电状态后，若超级电容模组内的能量低于设计值，则控制第一双向直流变换器，驱动能量从直流母线流向超级电容模组，超级电容模组吸收电梯及其运输对象释放出的再生能量；若超级电容模组内能量高于设计值，则关闭第一双向直流变换器，变频器直流母线电压进一步升高后，达到制动电阻电路的动作电压，控制电路将制动电阻电路接入变频器直流母线，消耗电梯释放出的再生能量，防止变频器直流母线电压过高，保证电梯的正常使用；S2：当电梯工作在电动状态，能量从变频器直流母线流向电梯曳引机，变频器直流母线的电压降低，电梯状态检测电路检测到电梯工作在电动状态后，若超级电容模组内能量高于设定值，则控制第一双向直流变换器，驱动能量从超级电容模组流向直流母线，再流向电梯曳引机，供电梯使用；若超级电容模组内能量低于设定值，则关闭第一双向直流变换器，直流母线电压进一步降低后，能量由电网通过整流桥后供给电梯使用；S3：电梯带载上行时，电梯运输对象的重力势能增加，电梯需要向外界吸收稳态能量，控制电路根据电梯状态检测电路所检测的信息，控制第二双向直流变换器，驱动对应的稳态能量从放电蓄电池模组流向超级电容模组；此时电梯上行，电梯对外释放暂态能量；若电梯工作在轻载状态，电梯对外吸收的稳态能量小于对外释放的暂态能量，电梯工作在再生发电状态，储能装置中的超级电容模组通过第一双向直流变换器吸收电梯释放出的再生能量，则轻载上行电梯，能量分别从放电蓄电池模组和电梯变频器两路一起流向超级电容模组；若电梯重载上行，电梯对外吸收的稳态能量大于对外释放的暂态能量，电梯工作在电动状态，能量从放电蓄电池模组流向超级电容模组，同时能量从超级电容模组流向电梯变频器；S4：电梯带载下行时，电梯运输对象的重力势能减少，电梯需要向外释放稳态能量，控制电路根据电梯状态检测电路所检测的信息，控制第二双向直流变换器，驱动对应的稳态能量从超级电容模组流向充电蓄电池模组；此时电梯下行，电梯对外吸收暂态能量；若电梯工作在轻载状态，则电梯对外释放的稳态能量小于对外吸收的暂态能量，电梯工作在电动状态，储能装置中的超级电容模组通过第一双向直流变换器流向电梯变频器；则轻载下行电梯，能量分别从超级电容模组流向充电蓄电池模组和电梯变频器；若电梯重载下行，电梯对外释放的稳态能量大于对外吸收的暂态能量，电梯工作在再生发电状态，则能量从电梯变频器流向超级电容模组，同时能量从超级电容流向充电蓄电池模组。

与现有技术方案相比，本发明采用超级电容模组来存储电梯的暂态能量，蓄电池模 组存储电梯的稳态能量。同时采用电压自动切换技术来实现节能装置供电和电网供电之间的无缝链接。理 论分析和试验结果均证明了基于双能量存储模式的电梯节能装置的可行性和有效性。同时电梯上行所发出 的再生能量存储在储能装置中，未反馈回电网，也就不影响电网的质量，也不存在计费问题。试验结果表明，所提出的基于双能量存储模式的电梯节能装置可为电梯节能 45%以上。

附图说明

图1为本发明的原理框图。

图2为本发明一实施例的双向直流变换器示意图。

图3为本发明一实施例电梯节能装置的储能模式示意图。

图4为本发明一实施例电梯节能装置的释能模式示意图。

图5本发明具体实施例的耗能比较示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步解释说明。

一种基于双能量存储模式的电梯节能装置，其包括：电梯变频器，外部供电电网通过电梯变频器向电梯供电；双能量存储系统，所述双能量存储系统并联于电梯变频器直流母线的两端；所述双能量存储系统包括依次连接的第一双向直流变换器、超级电容模组、第二双向直流变换器、蓄电池模组；微处理系统，所述微处理系用于控制双能量存储系统；电梯状态检测电路，所述电梯状态检测电路用于检测电梯运行状态；所述电梯状态检测电路将检测结果传送至微处理系统；以及故障提示处理电路；所述故障提示处理电路由微处理系统控制。

本发明的主要原理框图参见图1。

进一步的，所述电梯变频器包括变频器整流电路、变频器直流母线、变频器逆变电路及制动电阻电路；所述变频器整流电路输入接外部供电电网；所述变频器整流电路输出经变频器直流母线接变频器逆变电路输入；变频器逆变电路输出接电梯曳引机；所述制动电阻电路与变频器直流母线连接。

所述超级电容模组的个数计算包括以下步骤：电梯满载全程运行时与外接交换的能量最多，假设其为：，其中为电梯的平衡系数，M为电梯内载物质量，S为电梯提升高度；单个超级电容在一次充放电过程中电压变化为，单个超级电容存储的能量为：，C为单个电容的值；超级电容模组所需超级电容的个数为：，最终超级电容的个数为T_C=t_C+b；b为安全裕量。

进一步的，所述蓄电池模组的个数计算包括以下步骤：

当所有人员都在楼内时，电梯所在大楼的稳态能量最大，为：，m为大楼内人员的质量；h为大楼内人员所在位置与大楼进出口处的高度差；单个蓄电池存储的能量为，其中U为单个蓄电池的额定电压，I为单个蓄电池的额定电流；t为单个蓄电池的放电时长；蓄电池模组的所需蓄电池个数，最终蓄电池的个数为T_B=t_B+c；c为安全裕量。

本发明所述蓄电池模组由两组蓄电池构成，两组蓄电池一组用于充电，另一组用于放电；每组蓄电池所需蓄电电池组个数为。

电梯节能系统中储能系统采用蓄电池组和超级电容组混合组合而成，由于蓄电池模组、超级电容模组以及电梯变频器直流母线电压三者之间的电压差很大，因此需要设计两个双向变换器来连接蓄电池组、超级电容组以及电梯变频器的直流母线。一个双向变换器用于匹配蓄电池组与超级电容组的电压差，另一个双向变换器用于匹配超级电容组与电梯变频器的直流母线电压的电压差。这两个双向变换器根据需要驱动能量在蓄电池组、超级电容组以及电梯变频器之间流动，实现电梯节能系统中能量储存的需要。由于整个节能系统的功率较大，本发明所设计的变换器选择了如图 2所示的电路作为系统的双向直流变换器。第一双向直流变换器包括2n个开关管S11…Sn1，和开关管S12…Sn2；S11…Sn1的一端均与直流母线电容一端连接；S11…Sn1的另一端分别与电感L1…Ln的一端连接；S12…Sn2的一端分别电感L1…Ln的一端连接； S12…Sn2的一端均与直流母线电容另一端连接；电感L1…Ln的另一端均一与超级电容模组一端连接；超级电容模组另一端与直流母线电容另一端连接；开关管S11…Sn1、S 12…Sn2可控端与微处理系统连接；支路之间的控制采用交错控制的方法，以降低电压电流的纹波；所述第二双向直流变换器结构与第一双向直流变换器结构一致，功率不同。该变换器控制能量从直流母线流向超级电容模组时，为降压变换器（BUCK）；反之则为升压变换器（BOOST）。电路 拓扑中单个支路的功率为 500W，n 是根据实际电路需要的功率来决定的。例如需要 10KW 的功率，则 n 可以取为 20。同时，这些支路之间的控制采用交错控制的方法，以降低电压电流的纹波。

本发明还提供一种如上述的基于双能量存储模式的电梯节能装置的控制方法，其包括以下步骤：

S1：当电梯工作在再生发电状态时，电梯曳引机所发出的再生电能通过变频器逆变电路整流后，转变成直流电能存储在变频器的直流母线内；电梯状态检测电路检测到电梯工作在再生发电状态后，若超级电容模组内的能量低于设计值，则控制第一双向直流变换器，驱动能量从直流母线流向超级电容模组，超级电容模组吸收电梯及其运输对象释放出的再生能量；若超级电容模组内能量高于设计值，则关闭第一双向直流变换器，变频器直流母线电压进一步升高后，达到制动电阻电路的动作电压，控制电路将制动电阻电路接入变频器直流母线，消耗电梯释放出的再生能量，防止变频器直流母线电压过高，保证电梯的正常使用；

S2：当电梯工作在电动状态，能量从变频器直流母线流向电梯曳引机，变频器直流母线的电压降低，电梯状态检测电路检测到电梯工作在电动状态后，若超级电容模组内能量高于设定值，则控制第一双向直流变换器，驱动能量从超级电容模组流向直流母线，再流向电梯曳引机，供电梯使用；若超级电容模组内能量低于设定值，则关闭第一双向直流变换器，直流母线电压进一步降低后，能量由电网通过整流桥后供给电梯使用；

S3：电梯带载上行时，电梯运输对象的重力势能增加，电梯需要向外界吸收稳态能量，控制电路根据电梯状态检测电路所检测的信息，控制第二双向直流变换器，驱动对应的稳态能量从放电蓄电池模组流向超级电容模组；此时电梯上行，电梯对外释放暂态能量；若电梯工作在轻载状态，电梯对外吸收的稳态能量小于对外释放的暂态能量，电梯工作在再生发电状态，储能装置中的超级电容模组通过第一双向直流变换器吸收电梯释放出的再生能量，则轻载上行电梯，能量分别从放电蓄电池模组和电梯变频器两路一起流向超级电容模组；若电梯重载上行，电梯对外吸收的稳态能量大于对外释放的暂态能量，电梯工作在电动状态，能量从放电蓄电池模组流向超级电容模组，同时能量从超级电容模组流向电梯变频器；

S4：电梯带载下行时，电梯运输对象的重力势能减少，电梯需要向外释放稳态能量，控制电路根据电梯状态检测电路所检测的信息，控制第二双向直流变换器，驱动对应的稳态能量从超级电容模组流向充电蓄电池模组；此时电梯下行，电梯对外吸收暂态能量；若电梯工作在轻载状态，则电梯对外释放的稳态能量小于对外吸收的暂态能量，电梯工作在电动状态，储能装置中的超级电容模组通过第一双向直流变换器流向电梯变频器；则轻载下行电梯，能量分别从超级电容模组流向充电蓄电池模组和电梯变频器；若电梯重载下行，电梯对外释放的稳态能量大于对外吸收的暂态能量，电梯工作在再生发电状态，则能量从电梯变频器流向超级电容模组，同时能量从超级电容流向充电蓄电池模组。

电梯供电通道的切换通过采取电压差自动切换：若超级电容模组内的能量高于设定值，则通过第一双向直流变换器将变频器直流母线的电压提升到峰值以上，使得变频器整流桥反向截止，电梯所需能量由储能装置提供；若超级电容模组内能量低于设定值，则关闭第一双向直流变换器，变频器直流母线电压随能量输出掉落到峰值以下，自动切入电网进行供电；若节能装置发生故障，同样通过第一关闭双向直流变换器将节能装置从电路中切除，电梯自动切入电网进行供电。

以图3-4为例简要阐述本发明控制方法的具体流程。

1）电梯轻载上行，对外释放的暂态能量大于对外吸收的稳态能量；电梯重载下行，对外吸收的暂态能量小于对外释放的稳态能量，这两种状态电梯都工作在再生发电状态。电梯曳引机所发出的再生电能通过变频器逆变电路整流后，转变成直流电能存储在变频器的直流母线内。由于变频器整流电路阻止能量从变频器流向电网，制动电阻只有在直流母线电压达到设定电压后才接入，故再生电能堆积在变频器直流母线内。电梯状态检测电路检测到电梯工作在再生发电状态后，若超级电容模组内的能量低于设计值，则控制双向直流变换器1，驱动能量从直流母线流向超级电容模组，超级电容模组吸收电梯及其运输对象释放出的再生能量，如图3中的能量流1。若超级电容模组内能量高于设计值，则关闭双向直流变换器1，变频器直流母线电压进一步升高后，达到制动电阻电路的动作电压，控制电路将制动电阻接入变频器直流母线，消耗电梯释放出的再生能量，防止变频器直流母线电压过高，保证电梯的正常使用，如图3中的能量流2。工作在能量流2状态的电梯不节能，但保证了电梯的正常使用。

2）电梯重载上行或轻载下行时，电梯工作在电动状态，能量从变频器直流母线流向电梯曳引机，变频器直流母线的电压降低。电梯状态检测电路检测到电梯工作在电动状态后，若超级电容模组内能量高于设定值，则控制双向直流变换器1，驱动能量从超级电容模组流向直流母线，再流向电梯曳引机，供电梯使用，如图4中的能量流3；若超级电容模组内能量低于设定值，则关闭双向直流变换器1，直流母线电压进一步降低后，能量由电网通过整流桥后供给电梯使用，如图4中的能量流4。

3）能量流3和能量流4的通道切换采取电压差自动切换技术，具体实现原理如下。电网为380V三相交流电，通过整流桥整流后电压变成峰值为537.4V的直流电。若变频器的直流母线电压低于537.4V，则整流桥部分导通，能量从外部电网流进变频器。反之，若变频器的直流母线电压高于537.4V，则整流桥反向截止，能量无法从外部电网流进变频器。本文监测超级电容模组的能量，若超级电容模组内的能量高于设定值，则通过双向直流变换器1将变频器直流母线的电压提升到537.4V以上，使得变频器整流桥反向截止，电梯所需能量由储能装置提供。若超级电容模组内能量低于设定值，则关闭双向直流变换器1，变频器直流母线电压随能量输出掉落到537.4V以下，自动切入电网进行供电。同样，若节能装置发生故障，同样通过关闭双向直流变换器1将节能装置从电路中切除，电梯自动切入电网进行供电。采用电压自动切换技术，可有效实现电梯的节能装置供电和电网供电的无缝自动切换，使节能装置的安装和使用不影响电梯使用的安全性和可靠性。

4）电梯带载上行时，电梯运输对象的重力势能增加，电梯需要向外界吸收稳态能量，控制电路根据电梯状态检测电路所检测的信息，控制双向直流变换器2，驱动对应的稳态能量从放电蓄电池模组流向超级电容模组，如图3和图4中的能量流6。此时电梯上行，电梯对外释放出暂态能量。若电梯工作在轻载状态，电梯对外吸收的稳态能量小于对外释放的暂态能量，电梯工作在再生发电状态，储能装置中的超级电容模组通过双向直流变换器1吸收电梯释放出的再生能量。则轻载上行电梯，能量分别从放电蓄电池模组和电梯变频器两路一起流向超级电容模组，如图3中的能量流6和能量流1；若电梯重载上行，电梯对外吸收的稳态能量大于对外释放的暂态能量，电梯工作在电动状态，能量从放电蓄电池模组流向超级电容模组，同时能量从超级电容模组流向电梯变频器，如图4中的能量流6和能量流3。通过这两种方式，使超级电容模组中有足够的能量供电梯下行时所需。

5）电梯带载下行时，电梯运输对象的重力势能减少，电梯需要向外释放稳态能量。控制电路根据电梯状态检测电路所检测的信息，控制双向直流变换器2，驱动对应的稳态能量从超级电容模组流向充电蓄电池模组，如图3和图4中的能量流5。此时电梯下行，电梯对外吸收暂态能量。若电梯工作在轻载状态，则电梯对外释放的稳态能量小于对外吸收的暂态能量，电梯工作在电动状态，储能装置中的超级电容模组通过双向直流变换器1提供电梯所需的能量。则轻载下行电梯，能量分别从超级电容模组流向充电蓄电池模组和电梯变频器，如图4中的能量流5和能量流3，若电梯重载下行，电梯对外释放的稳态能量大于对外吸收的暂态能量，电梯工作在再生发电状态，则能量从电梯变频器流向超级电容模组，同时能量从超级电容流向充电蓄电池模组，如图3中的能量流5和能量流1。通过这两种方式，使超级电容模组中有足够的空间存储电梯上行时释放出的暂态能量。

在本发明具体实施例中，安装节能装置前后电梯的节能效果测试方案为：在电梯变频器的进线处采用日本 HIOKI 公司生产的 3169-20/21 钳型功率计测试电梯所消耗的能耗，电梯 30%载荷运行一个来回，比较电梯在接入本节能装置 前后所消耗的能量。钳型功率计测得接入节能装置前后电梯的瞬时能耗如图5所示，总能耗如表 1 所示：

表 1 电梯接入节能装置前后总能耗数据

接入节能装置前 接入节能装置后 上行能耗（J） 13359 12937 下行能耗（J） 84089 40616 总能耗（J） 97448 53553

以上是本发明的较佳实施例，凡依本发明技术方案所作的改变，所产生的功能作用未超出本发明技术方案的范围时，均属于本发明的保护范围。