基于储能电池的电梯能量回收系统及方法

摘要

本发明提供了一种基于储能电池的电梯能量回收系统及方法，包括：电梯功率预测模块、储能电池、并网变流器以及双向直流变换器，电梯功率预测模块用于根据电梯运行前的数据信息，预估电梯下一运行周期所需的平均功率；并网变流器用于传输电梯下一运行周期内所需的平均功率；双向直流变换器用于驱动储能电池吸收电梯运行期间产生的尖峰功率；储能电池用于根据母线电压波动进行充放电的控制。本发明通过预估电梯运行平均功率，控制并网变流器恒功率运行，减少并网功率波动，提高了并网电能质量；仅预估电梯运行周期平均功率一个数值，降低了电梯功率预测模块的运算量，计算成本更低、效率更高；使用储能电池和并网变流器一起回收电能，回收效率高。

说明书

技术领域

本发明涉及电梯能量回收领域，具体地，涉及一种基于储能电池的电梯能量回收系统及方法。

背景技术

近年来，随着我国经济水平的提升、城镇化进程的推进、人民生活质量的提高，我国电梯行业取得了快速发展。与此同时，电梯节能技术成为电梯行业的研究热点，尤其是对于电梯电机再生运行时的再生能量的利用。一种方式是将再生能量通过逆变转化为交流电，并回馈到邻近的同一电网或供其他电气设备使用；另一种则是直流储能，储能电池在电机再生运行时，储存再生能量；在电机电动运行时，释放能量。

然而这些技术还存在着许多问题，若使用将电梯能量直接回馈到电网，会对电网造成影响，如电网电能质量，由于输出功率不确定性造成电压波动。若使用直流储能，则面临着储能装置的选择。若将蓄电池用于电梯的供电系统，首先蓄电池在工作过程中电极活性物质会发生化学反应，导致蓄电池性能不断衰减，在电网供电不可靠的地区还需要经常深度充放电，导致蓄电池寿命减短；同时蓄电池功率密度小，而电梯的功率较大，为了使母线电压维持在一定的范围，蓄电池需要具有较大功率。采用超级电容则面临着串联级数过高会导致超级电容组储能效率下降或均压结构过于庞大，且成本较高的问题。

现有技术中，文献CN201010270130(申请号201010270130.9，授权公告日2014年2月26日)研究了双向直流变换器的控制方法，提出根据所述电梯后续运行相关信息，计算形成电梯后续运行功率图形的功率图形计算单元；CN201010513838(申请号201010513838.2，授权公告日2014年1月1日)提出根据电梯电机在各相邻零功率点间，或由当前时刻或位置至最近的零功率点这一区间即将消耗或产生的功率和能量预估值，对储能装置进行充放电控制。这些发明都是通过在电梯运行前预估下个周期各个时间点的功率值并进行控制的，存在电梯运行周期功率波动大，需要计算较多功率值，控制误差较大等不足。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种储能电池的电梯能量回收系统及方法。

根据本发明提供的一种基于储能电池的电梯能量回收系统，包括：电梯功率预测模块、储能电池、并网变流器以及双向直流变换器，其中：

所述电梯功率预测模块用于根据电梯运行前的数据信息，预估电梯下一运行周期所需的平均功率；

所述并网变流器用于传输电梯下一运行周期内所需的平均功率；

所述双向直流变换器用于驱动储能电池吸收电梯运行期间产生的尖峰功率；

所述储能电池用于根据母线电压波动进行充放电的控制。

优选地，所述数据信息包括电梯在静止时变频器输出的使电梯配重平衡的电流i_load和楼层运行距离L。

优选地，所述储能电池包括铅酸蓄电池、锂电池及超级电容中的一种或多种，所述储能电池的容量大于电梯应急所需电容的容量的2倍，所述储能电池的功率大于电梯最大运行功率的1.5倍。

优选地，所述并网变流器通过平均功率计算电梯下一运行周期内的d轴的参考电流，再通过电流内环控制并网电流。

优选地，所述双向直流变换器通过检测直流母线电压控制储能电池充放电；当直流母线电压大于额定电压时，则储能电池充电；当直流母线电压小于额定电压时，则储能电池放电。

根据本发明提供的一种基于储能电池的电梯能量回收方法，包括如下步骤：

平均功率预测步骤：电梯功率预测模块根据电梯运行前的数据信息，预估电梯下一运行周期所需的平均功率；

平均功率传输步骤：并网变流器传输电梯下一运行周期内所需的平均功率；

尖峰功率吸收步骤：双向直流变换器驱动储能电池吸收电梯运行期间产生的尖峰功率；

充放电控制步骤：储能电池根据母线电压波动进行充放电的控制。

优选地，所述数据信息包括电梯在静止时变频器输出的使电梯配重平衡的电流i_load和楼层运行距离L。

优选地，所述储能电池包括铅酸蓄电池、锂电池及超级电容中的一种或多种，所述储能电池的容量大于电梯应急所需电容的容量的2倍，所述储能电池的功率大于电梯最大运行功率的1.5倍。

优选地，所述并网变流器通过平均功率计算电梯下一运行周期内的d轴的参考电流，再通过电流内环控制并网电流。

优选地，所述双向直流变换器通过检测直流母线电压控制储能电池充放电；当直流母线电压大于额定电压时，则储能电池充电；当直流母线电压小于额定电压时，则储能电池放电。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

1、本发明通过预估电梯运行平均功率，控制并网变流器恒功率运行，减少并网功率波动，提高了并网电能质量；

2、本发明仅预估电梯运行周期平均功率一个数值，降低了电梯功率预测模块的运算量，计算成本更低、效率更高；

3、本发明使用储能电池和并网变流器一起回收电能，回收效率高。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本发明提供的基于储能电池的电梯能量回收系统结构示意图；

图2为本发明中电梯运行过程功率图；

图3为本发明中双向直流变换器电路图；

图4为本发明提供的基于储能电池的电梯能量回收方法步骤流程图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。

如图1所示，根据本发明所提供的基于储能电池的电梯能量回收系统，包括电梯运行功率预估模块、储能电池、并网变流器、电梯变频器和双向直流变换器。并网变流器交流侧与电网相连，并网变流器直流侧与电梯变频器直流侧、双向直流变换器直流母线侧相连，电梯变频器交流侧与曳引电机相连，双向直流变换器低压端与储能电池相连，储能电池可为铅酸蓄电池、锂电池及超级电容中的一种或组合，储能电池的容量大于电梯应急所需容量的2倍，储能电池功率大于电梯1.5倍最大运行功率。控制曳引电机的电梯控制柜将电梯运行前的信息电梯运行负载M_load以及楼层运行距离L传送给电梯功率预测模块，电梯功率预测模块计算出下一周期的平均运行功率，并对并网变流器进行控制，达到恒功率并网。

如图2所示，电梯单个运行周期过程中，由于会出现启动和制动过程，所以会出现不同的功率波动，甚至会在同一周期出现电机再生运行与电机电动运行两种状态。为了使并网变流器在每个周期都恒功率运行，则应计算电梯单周期运行平均功率，通过电流内环来控制并网变流器网侧电流，并通过双向直流变换器来使储能电池吸收电梯启动和制动过程中产生的功率波动。

具体的工作过程如下：

在电梯启动运行前，电梯处于静止状态，为了使电梯处于静止状态，变频器会输出电流是电梯轿厢与配重相平衡。每台电梯都会有特定的载荷—电流曲线。因此获取电梯静止状态下的变频器电流i_load(平衡力矩电流)，即可计算出电梯运行负载M_load，电梯运行负载虽然可以表示电梯的载重，但并不等同于乘客重量，一般在50％负载的情况下取零值。而电梯单个周期消耗的总能量主要是由重力势能变化量和摩擦耗能所组成，其中重力使能变化量可表示为：ΔE_p＝K₁M_loadL，其中K₁为常数，与电梯曳引电机磁链及电机转轴有效半径等参数有关；而摩擦耗能可表示为ΔE_f＝K₂L，其中K₂为常数，与库伦摩擦力系数及粘滞摩擦系数等参数有关，电梯单个周期消耗的总能量可表示ΔE＝ΔE_p+ΔE_f＝K₁M_loadL+K₂L，K₁和K₂均可由电梯曳引机参数计算或实验获得。根据楼层运行距离L及电梯运行最大速度和电梯加速度计算出运行时间T。由总能量E和运行时间T可计算出电梯运行平均功率P。

电梯功率预测模块将计算出的电梯运行平均功率P传输给并网变流器的控制器，将采样的电网电压和电流进行dq变换，转换成直流量。由于d轴和q轴之间的耦合会对系统产生影响，为了使系统能输出高质量波形，需要利用解耦控制实现d轴和q轴之间的解耦，使其相互独立，方便通过i_d和i_q分别控制并网变流器的有功分量和无功分量，控制无功分量为零(令i_{q_ref}＝0)。则电梯功率预测模块将计算的出的电梯运行平均功率P可计算得出i_{d_ref}，再通过电流内环控制并网电流。

在并网变流器恒功率运行的同时，通过双向直流变换器来使储能电池吸收电梯启动和制动过程中产生的功率波动。如图3所示，双向直流变换器采用Buck-Boost拓扑，采用独立PWM控制方式。将采样的直流母线电压值U_d传送到双向直流变换器的控制器，并以此对双向直流变换器进行控制。例如取直流母线额定电压为650V，当U_d＞680时，为了使直流母线电压下降至650V，开关管S₁工作于PWM方式，开关管S₂始终关断，做二极管使用，双向直流变换器工作于Buck电路模式，储能电池进行充电储能，直到直流母线电压降至650V；当U_d＜620时，为了使母线电压上升至650V，开关管S₂工作于PWM方式，开关管S₁始终关断，做二极管使用双向直流变换器工作于Boost电路模式，储能电池进行放电释能，直到直流母线电压升至650V。最终达到吸收电梯运行期间产生的尖峰功率的作用。

如图4所示，根据本发明提供的一种基于储能电池的电梯能量回收方法，包括：

平均功率预测步骤：电梯功率预测模块根据电梯运行前的数据信息，预估电梯下一运行周期所需的平均功率；所述数据信息包括电梯在静止时变频器输出的使电梯配重平衡的电流i_load和楼层运行距离L。平均功率传输步骤：并网变流器传输电梯下一运行周期内所需的平均功率；并网变流器通过平均功率计算电梯下一运行周期内的d轴的参考电流，再通过电流内环控制并网电流。尖峰功率吸收步骤：双向直流变换器驱动储能电池吸收电梯运行期间产生的尖峰功率；双向直流变换器通过检测直流母线电压控制储能电池充放电；当直流母线电压大于额定电压时，则储能电池充电；当直流母线电压小于额定电压时，则储能电池放电。充放电控制步骤：储能电池根据母线电压波动进行充放电的控制。储能电池包括铅酸蓄电池、锂电池及超级电容中的一种或多种，所述储能电池的容量大于电梯应急所需电容的容量的2倍，所述储能电池的功率大于电梯最大运行功率的1.5倍。

本发明通过预估电梯运行平均功率，控制并网变流器恒功率运行，减少并网功率波动，提高了并网电能质量，仅预估电梯运行平均功率一个数值，减少功率预测模块的运算量。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。