CN102143902A - 基于电梯使用模式的来自多个源的电力的管理 - Google Patents

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Abstract

在包括电梯起重电动机(12)、主电源(20)和能量存储系统(32)的电梯系统中管理电力分配。起重电动机的预测使用模式根据电梯系统或者相似建筑物的相似电梯系统中的以往起重电动机电力需求来建立。能量存储系统的目标存储状态则根据预测使用模式来设置。在起重电动机、主电源和能量存储系统之间交换的电力被控制成解决起重电动机的电力需求以及将能量存储系统的存储状态保持在目标存储状态附近。

Description

基于电梯使用模式的来自多个源的电力的管理
技术领域
本发明涉及电力系统。更具体来说，本发明涉及用于根据电梯使用模式来管理电梯系统中来自多个源的电力的系统。
背景技术
用于操作电梯的电力需求的范围从其中使用外部生成电力(例如从电力公用事业生成)的正值至其中电梯中的负荷驱动电动机因而它作为发电机而产生电的负值。电动机作为发电机用于产生电通常称作再生。在常规系统中，如果再生能量没有提供给电梯系统的另一个组件或者返回给公用电网，则它通过动态制动电阻器或其它电气负载来耗散。在这种配置中，甚至在峰值功率条件(peak power condition)期间(例如，当一个以上电动机同时启动时或者在高需求时段期间)，对电力公共事业仍保持向电梯系统供应电力的所有需求。因此，输送来自电力公用事业的电力的电梯系统的组件需要确定大小以适应电力需求，这可能是成本更高的，并且要求更大空间。另外，耗散的再生能量未被使用，由此降低电力系统的效率。
另外，电梯驱动系统通常设计成在电源的特定输入电压范围进行操作。驱动的组件的电压和电流额定值允许驱动在电源保持于指定输入电压范围之内时连续操作。在常规系统中，当公用事业电压下跌到超过设计极限时，电梯系统发生故障。当公用事业电力故障发生或者在常规系统品质低劣条件之下，电梯可能停在电梯竖井中的楼层之间，直到电源返回到正常操作或者机修工干预。
发明内容
本发明涉及管理包括电梯起重电动机、主电源和能量存储系统的电梯系统中的能量。起重电动机的预测使用模式根据电梯系统或者相似建筑物的电梯系统中的以往起重电动机电力需求来建立。能量存储系统的存储能量的目标状态(或存储状态)则根据预测使用模式来设置。在起重电动机、主电源和能量存储系统之间交换的电力被控制成解决(address)起重电动机的电力需求以及将能量存储系统的存储状态保持在目标存储状态附近。
附图说明
图1是包括用于管理来自多个源的电力的控制器的电梯电力系统的示意图。
图2是用于根据能量存储系统的目标存储状态来控制对电梯系统的组件的电力分配的驱动控制器的框图。
图3是用于根据目标存储状态来管理在起重电动机、主电源和能量存储系统之间交换的电力的过程的流程图。
具体实施方式
图1是电力系统10的示意图，电力系统10包括主电源20、功率转换器(power converter)22、电力母线(power bus)24、平滑电容器26、功率变换器(power inverter)28、电压调节器30、电能或机械能存储(ES)系统32、ES系统控制器34和驱动控制器36。功率转换器22、DC母线24、平滑电容器26和功率变换器28包含在再生驱动29中。主电源20可以是电气公用配电网(electrical utility power distribution grid)。ES系统32包括能够存储电能或机械能的装置或多个装置。电梯14包括电梯轿厢40和配重(counterweight)42，它们通过挂绳44连接到起重电动机12。电梯14还包括负荷传感器46，它连接到驱动控制器36，用于测量电梯轿厢40中的负荷的重量。
正如本文将进行描述，电力系统10配置成控制在电梯起重电动机12、主电源20和/或ES系统32之间交换的电力，以便解决起重电动机12的电力需求，并且使ES系统32的存储状态保持在目标等级附近。目标存储状态根据电梯起重电动机12的使用模式以及例如最小和最大电网使用的规范等其它因素来设置。使用模式可通过电力系统10的先前使用期间的起重电动机电力需求、通过相似建筑物的电梯系统中的起重电动机电力需求或者两者的组合来建立。例如，当电梯起重电动机12的电力需求为正值时，电力系统10按照使ES系统32的存储状态保持在目标等级附近的比率从主电源20和ES系统32驱动起重电动机12。作为另一个示例，当电梯起重电动机12的电力需求为负值时，电力系统10按照使ES系统32的存储状态又增加到目标存储状态附近的比率将电梯起重电动机12所生成的电力提供给电源20和ES系统32。由ES系统32所提供或者返回给ES系统32的电力的比率可以是ES系统32的存储状态与目标存储状态的接近性的函数。电力系统10还控制当电梯起重电动机12的电力需求接近零时主电源20与ES系统32之间的电力分配以及在主电源20故障的情况下ES系统32与电梯起重电动机12之间的电力分配。
功率转换器22和功率变换器28通过DC母线24连接。平滑电容器26横跨DC母线24连接(connected across DC bus 24)。主电源20向功率转换器22提供电力。功率转换器22是三相功率变换器，它可操作以把来自主电源20的三相AC电力转换成DC电力。在一个实施例中，功率转换器22包括多个功率晶体管电路，其中包括并联晶体管50和二极管52。各晶体管50可以是例如绝缘栅双极晶体管(IGBT)。各晶体管50的控制电极(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把来自主电源20的三相AC电力转换成DC输出电力。DC输出电力由功率转换器22在DC母线24上提供。平滑电容器26使功率转换器22在DC母线24上提供的整流电力平滑。重要的是要注意，虽然主电源20示为三相AC电源，但是电力系统10可适合接收来自任何类型的电源的电力，包括(但不限于)单相AC电源和DC电源。
功率转换器22的功率晶体管电路还允许DC母线24上的电力经过转化(invert)并且提供给主电源20。在一个实施例中，驱动控制器36采用脉宽调制(PWM)来产生选通脉冲，以便周期性地开关功率转换器22的晶体管50，从而向主电源20提供三相AC电力信号。与主电源20上的其它负荷一起，这种再生配置降低对主电源20的需求。
功率变换器28是三相功率变换器，它可操作以把来自DC母线24的DC电力转化为三相AC电力。功率变换器28包括多个功率晶体管电路，其中包括并联晶体管54和二极管56。各晶体管54可以是例如绝缘栅双极晶体管(IGBT)。各晶体管54的控制电极(即，栅极或基极)连接到驱动控制器36，该驱动控制器36控制功率晶体管电路以将DC母线24上的DC电力转化为三相AC输出电力。将功率变换器28的输出处的三相AC电力提供给起重电动机12。在一个实施例中，驱动控制器36采用PWM来产生选通脉冲，以便周期性地开关功率变换器28的晶体管54，从而向起重电动机12提供三相AC电力信号。驱动控制器36可通过调整送往晶体管54的选通脉冲的频率和时长，来改变电梯14移动的速度和方向。
另外，功率变换器54的功率晶体管电路可操作以对在电梯14驱动起重电动机12时生成的电力进行整流。例如，如果起重电动机12正生成电力，则驱动控制器36控制功率变换器28的晶体管54，以便允许所生成电力经过转换并且提供给DC母线24。平滑电容器26使功率变换器28在DC母线24上提供的转换电力平滑。DC母线24上的再生电力可用于对ES系统32的存储元件再充电，可如上所述返回给主电源20，或者可在动态制动电阻器(未示出)中耗散。
起重电动机12控制电梯轿厢40与配重42之间的移动速度和方向。驱动起重电动机12所需的电力随电梯14的加速度和方向以及电梯轿厢40中的负荷而变化。例如，如果电梯轿厢40正被加速，以大于配重42的重量的负荷(即，重负荷)上行，或者以小于配重42的重量的负荷(即，轻负荷)下行，则要求最大电力量来驱动起重电动机12。在这种情况下，起重电动机12的电力需求为正值。如果电梯轿厢40以重负荷下行或者以轻负荷上行，则电梯轿厢40驱动起重电动机12，从而再生能量。在负电力需求的这种情况下，起重电动机12生成三相AC电力，该三相AC电力由功率变换器28在驱动控制器36的控制下转换成DC电力。如上所述，可将经转换的DC电力返回给主电源20，用于对ES系统32再充电，和/或在横跨DC母线24连接的动态制动电阻器中耗散。如果电梯14正采用平衡负荷以固定速度调平或运行，则它可使用较小电力量。如果起重电动机12既没有电动回转也没有生成电力(即，空闲(idle))，则起重电动机12的电力需求接近零。
应当注意，虽然单个起重电动机12示为连接到电力系统10，但是电力系统10可修改为对多个起重电动机12供电。例如，多个功率变换器28可横跨DC母线24并联，以便向多个起重电动机12提供电力。另外，虽然ES系统32示为连接到DC母线24，但是ES系统32可以备选地连接到功率转换器22的三相输入的一相。
ES系统32可包括能够存储电能的串联或并联的一个或多个装置。当ES系统32存储电能时，存储状态可称作充电状态(state-of-charge，SOC)。在一些实施例中，ES系统32包括至少一个超级电容器，它可包括对称或不对称超级电容器。在其它实施例中，ES系统32包括至少一个辅助或可再充电电池，它可包括下列任一个：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、二氧化锌/碱/锰、锌溴流、钒流和钠硫电池。
在其它实施例中，ES系统32是机械能量存储系统。例如，诸如飞轮等机械装置可用于存储动能。
图2是连接到再生驱动29和ES系统控制器34的驱动控制器36的框图。驱动控制器36包括处理器60、数据存储装置模块62和起重电动机操作模块64。驱动控制器36还可包括图2中没有具体示出的其它组件。起重电动机操作模块64向数据存储装置模块62提供输入，数据存储装置模块62向处理器60提供输入。根据来自数据存储装置模块62的输入，处理器60生成控制再生驱动29和ES系统控制器34的操作的信号。
图3是用于根据目标存储状态来管理在电梯起重电动机12、主电源20和ES系统32之间交换的电力的过程的流程图。在这个示例中，ES系统32存储电能，并且存储状态是充电状态(SOC)。预测使用模式首先根据预见起重电动机需求(forecast hoist motor demand)来建立(步骤70)，预见起重电动机需求可包括以往或预测需求或者它们两者的组合。起重电动机操作模块64监测电梯起重电动机12的使用特性，并且将与这些使用特性相关的数据存储在数据存储装置模块62中。在一些实施例中，使用特性包括电梯起重电动机12的每次运行之间的时间和每次运行的电力需求。使用特性还可包括例如每次运行期间传送的乘客数量、每次运行期间的电梯轿厢40中的负荷(由负荷传感器46所测量)以及每次运行的时长等信息。建筑物时间表(building schedule)也可被认为是制订预测使用模式的一部分。将数据存储装置模块62中的数据提供给处理器60，处理器60分析使用特性以确定使用模式。在一些实施例中，处理器62采用对数据的顺序数据分析，其中当数据存储在数据存储装置模块62时为模式分析数据。处理器62可在各电梯运行之后更新预测使用模式，以便确保模式基于尽可能多的数据点。
然后，处理器60根据预测使用模式来设置ES系统32的目标SOC(步骤72)。具体来说，对于预测使用模式中的各点，建立目标SOC，它使ES系统32中存储的能量的量为最大，同时使主电源20保持为低于电流和电压极限，并且使ES系统32保持在存储容量极限之内。要在给定时间设置ES系统30的目标SOC，处理器60监测电梯14的当前使用特性(current usage characteristic)，并且将这些使用特性与预测使用模式相关。当建立相对预测使用模式的当前使用状态时，设置当前使用状态的目标SOC。通过确定电梯14相对预测使用模式的当前使用状态，处理器60可预测未来能量需求，并且相应地调整ES系统32的目标SOC。
通过观测主电源20的电力极限，对主电源20的总电力需求降低，这准许将电力从主电源20输送给电力系统10的组件的尺寸减小。另外，当ES系统32的SOC保持在目标SOC附近时，可通过控制ES系统32的摆动充电极限(swing charge limit)来延长ES系统32的寿命。虽然在所述实施例中建立使用模式和设置目标SOC由驱动控制器36的处理器60来进行，但是这些功能也可由控制电梯14的调度的处理器或者由连接到驱动控制器36的独立专用处理器来执行。
作为一个示例，预测使用模式可指明，在周一至周五早晨时间段，大量乘客乘坐电梯上升至其楼层，并且电梯一般空载返回到主层。在那个时间段期间，预计将存在电梯电动机对电力的正需求，并且较低再生(负需求)发生。在那个时间段中，目标SOC可能较高，使得再生和电网提供电力(在空闲时间期间)用于对ES 32充电。通过计算已经上行的乘客数量并且与乘客的预测模式进行比较，可比仅使用日时完成目标SOC的更准确设置(a more accurate setting of target SOC can be made then is only time of day were used)。如果SOC目标导致电流高于设计极限，则调度器可调整电梯停止位置的时间，以便在满足SOC要求的同时允许较低等级的电流。
在这个示例中，在周一至周五的傍晚，大多数乘客将下行到主层，并且较少人上行。因此，预计比正需求更多的再生(负需求)将发生。在那个时间段期间，目标SOC可减小，因为在空闲周期中将不太需要对ES系统32充电。大多数再充电可通过再生来提供。
驱动控制器36控制在起重电动机12、主电源20和ES系统32之间交换的电力，以便解决起重电动机12的电力需求，并且使ES系统32的SOC保持在目标SOC附近(步骤74)。电压调节器30(图1)建立电梯起重电动机12的电力需求，并且向驱动控制器36提供与这个需求相关的信号。当起重电动机12的电力需求为正值时，电力至少部分从ES系统32提供给起重电动机12，同时ES系统的SOC处于或高于目标SOC。由ES系统32所提供的电力的比例也可以是SOC与目标SOC的接近性的函数。更具体来说，当ES系统32的SOC接近目标SOC时，电力的较小部分可由ES系统32提供给起重电动机12。驱动控制器36控制再生驱动29和ES系统控制器34，以便按照适当比率向起重电动机12提供电力。
当起重电动机12的电力需求为负值时，来自起重电动机12的再生电力可输送给ES系统32，同时ES系统32的SOC低于目标SOC。当ES系统32的SOC在负起重电动机电力需求周期中处于或高于目标SOC时，来自起重电动机12的再生电力可输送给主电源20。在负电力需求周期中从起重电动机12输送给ES系统32的电力的比例也可以是SOC与目标SOC的接近性的函数，并且提供系统使用寿命与能量效率目标之间的设计折衷。驱动控制器36控制再生驱动29和ES系统控制器34，以便按照适当比率从起重电动机12向电源20和ES系统32输送电力。
当起重电动机12的电力需求接近零时，处理器60可控制再生驱动29和ES系统控制34以便将电力从主电源20输送给ES系统32，同时ES系统32的SOC低于目标SOC。这将ES系统32再充电到目标SOC附近，这确保有效地解决起重电动机12的预计电力需求(根据预测使用模式)。
通过使ES系统32的SOC保持在目标SOC附近，ES系统32还可在主电源20故障的情况下解决起重电动机12的电力需求。目标SOC设置成使得当起重电动机12正再生电力时电力可被输送给ES系统32，而无需耗散任何能量。另外，目标SOC高到足以在主电源20故障之后允许起重电动机12的扩展正电力需求操作。
在主电源20故障期间，ES系统32解决起重电动机12的电力需求。因此，如果起重电动机12的电力需求为正值，则ES系统32提供该需求，以及如果起重电动机12的电力需求为负值，则ES系统32存储由起重电动机12再生的电力。ES系统32可控制成作为ES系统32的SOC的函数并且仅当ES系统32的SOC处于某个范围之内时才解决起重电动机电力需求。
总之，本发明涉及管理包括电梯起重电动机、主电源和电能存储(ES)系统的电梯系统中的电力。起重电动机的预测使用模式根据以往起重电动机电力需求来建立。ES系统的目标存储状态(例如SOC)则根据预测使用模式来设置。在起重电动机、主电源和ES系统之间交换的电力被控制成解决起重电动机的电力需求以及将ES系统的存储状态保持在目标存储状态附近。通过根据以往运输量(traffic)和电力需求模式来控制ES系统的存储状态，可使ES系统中存储的能量为最大，同时将其保持在从主电源所汲取的峰值功率的约束和ES系统的存储极限之内，并且使耗散再生电力的需要为最小。另外，当ES系统的存储状态保持在目标存储状态附近时，可通过控制ES系统的摆动充电极限来延长ES系统的寿命。
虽然参照优选实施例描述了本发明，但是本领域的技术人员会知道，可在形式和细节方面进行变更，而没有背离本发明的精神和范围。

Claims (20)

1.一种用于管理包括电梯起重电动机、主电源和能量存储系统的电梯系统中的电力分配的方法，所述方法包括下列步骤：
至少部分根据起重电动机需求数据来建立预测使用模式；
根据所述预测使用模式来设置所述能量存储系统的目标存储状态；以及
控制在所述起重电动机、所述主电源和所述能量存储系统之间交换的电力，以便解决所述起重电动机的电力需求以及将所述能量存储系统的所述存储状态保持在所述目标存储状态附近。
2.如权利要求1所述的方法，其中，建立预测使用模式包括：
存储电梯运行数据，其中包括运行之间的时间和每次运行的电力需求；以及
分析所述电梯运行数据以确定使用模式。
3.如权利要求1所述的方法，其中，分析所述电梯运行数据包括进行所述电梯运行数据的顺序分析。
4.如权利要求1所述的方法，其中，所述控制步骤包括：
按照作为所述能量存储系统的存储状态与所述目标存储状态的接近性的函数的比例，采用所述能量存储系统来解决起重电动机电力需求。
5.如权利要求1所述的方法，其中，当所述起重电动机的电力需求为负值时，所述控制步骤包括：
把来自所述起重电动机的再生电力输送给所述能量存储系统，同时所述能量存储系统的所述存储状态低于所述目标存储状态；以及
把来自所述起重电动机的再生电力输送给所述主电源，同时所述能量存储系统的所述存储状态处于或高于所述目标存储状态。
6.如权利要求1所述的方法，其中，当所述起重电动机的电力需求接近零时，所述控制步骤包括：
把来自所述主电源的电力输送给所述能量存储系统，同时所述能量存储系统的所述存储状态低于所述目标存储状态。
7.如权利要求1所述的方法，其中，当所述起重电动机的电力需求为正值时，所述控制步骤包括：
将电力至少部分从所述能量存储系统提供给所述起重电动机，同时所述能量存储系统的所述存储状态处于或高于所述目标存储状态。
8.如权利要求1所述的方法，其中，所述预测使用模式部分基于预测建筑物时间表。
9.一种用于采用主电源和能量存储系统来解决起重电动机的电力需求的方法，所述方法包括：
监测与所述起重电动机需求相关的使用特性；
将所述使用特性与所存储的使用模式相关；
根据所述使用特性和所述使用模式来设置所述能量存储系统的目标存储状态；以及
控制在所述起重电动机、所述主电源和所述能量存储系统之间交换的电力，以便解决所述起重电动机的电力需求以及将所述能量存储系统的所述存储状态保持在所述目标存储状态附近。
10.如权利要求9所述的方法，其中，所述使用特性包括所述起重电动机的运行之间的时间和每次运行的电力需求。
11.如权利要求9所述的方法，其中，所述控制步骤包括：
按照作为所述能量存储系统的存储状态与所述目标存储状态的接近性的函数的比例，采用所述能量存储系统来解决起重电动机电力需求。
12.如权利要求9所述的方法，其中，当所述起重电动机的电力需求为负值时，所述控制步骤包括：
把来自所述起重电动机的再生电力输送给所述能量存储系统，同时所述能量存储系统的所述存储状态低于所述目标存储状态；以及
把来自所述起重电动机的再生电力输送给所述主电源，同时所述能量存储系统的所述存储状态处于或高于所述目标存储状态。
13.如权利要求9所述的方法，其中，当所述起重电动机的电力需求接近零时，所述控制步骤包括：
把来自所述主电源的电力输送给所述能量存储系统，同时所述能量存储系统的所述存储状态低于所述目标存储状态。
14.如权利要求9所述的方法，其中，当所述起重电动机的电力需求为正值时，所述控制步骤包括：
将电力至少部分从所述能量存储系统提供给所述起重电动机，同时所述能量存储系统的所述存储状态处于或高于所述目标存储状态。
15.如权利要求9所述的方法，还包括：
在起重电动机运行之后更新所述使用模式。
16.一种电梯系统，包括：
电梯起重电动机，可操作以控制电梯轿厢的移动；
电梯电力系统，连接到所述电梯起重电动机，可操作以解决所述电梯起重电动机的电力需求，所述电梯电力系统连接成接收来自主电源的电力，并且包括能量存储系统；以及
控制器，可操作以根据所述电梯起重电动机的当前使用特性和预测使用模式来设置所述能量存储系统的目标存储状态，其中所述控制器还可操作以控制所述起重电动机、所述主电源和所述能量存储系统之间交换的电力，以便解决所述起重电动机的电力需求并且使所述能量存储系统的所述存储状态保持在所述目标存储状态附近。
17.如权利要求16所述的电梯系统，其中，所述控制器按照作为所述能量存储系统的存储状态与所述目标存储状态的接近性的函数的比例，采用所述能量存储系统来解决起重电动机电力需求。
18.如权利要求16所述的电梯系统，其中，所述控制器存储包括所述起重电动机的运行之间的时间和每次运行的电力需求的电梯运行数据，并且分析所述电梯运行数据以确定使用模式。
19.如权利要求16所述的电梯系统，其中，所述控制器在起重电动机运行之后更新所述预测使用模式。
20.如权利要求16所述的电梯系统，其中，所述当前使用特性包括所述起重电动机的运行之间的时间和每次运行的电力需求。
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