CN102336356A

CN102336356A - 电梯节能装置

Info

Publication number: CN102336356A
Application number: CN2010102334225A
Authority: CN
Inventors: 陈玉东
Original assignee: Shanghai Mitsubishi Elevator Co Ltd
Current assignee: Shanghai Mitsubishi Elevator Co Ltd
Priority date: 2010-07-22
Filing date: 2010-07-22
Publication date: 2012-02-01
Anticipated expiration: 2030-07-22
Also published as: CN102336356B

Abstract

本发明公开了一种电梯节能装置，包括储能装置(20)、储能装置状态检测器(21)、充放电电路(19)、储能装置控制器(22)，所述储能装置控制器(22)根据母线电压及其参考值在所述储能装置(20)和所述充放电电路(19)允许的范围内对充放电电路(19)进行控制，并且该母线电压参考值根据储能装置(20)的充电状态和/或充电状态的变化可变。本发明能够实现电梯节能，同时还可有效减缓母线电压的剧烈波动，从而改善电梯电机的控制性能。

Description

电梯节能装置

技术领域

本发明涉及一种电梯节能装置，特别是涉及一种利用储能装置实现电梯节能的装置。

背景技术

近年来，通过适当控制，使增设于电梯驱动主回路中的储能装置在电梯电机再生运行时储存再生能量、在电梯电机电动运行时释放所储能量，从而为电机的电动运行提供电能，以此来解决电梯电机运行中产生的再生能量的处理问题、同时实现电梯节能效果，已经成为电梯行业的研究热点。如中国发明专利申请公布说明书CN 101381046A、CN 1845417A、CN1946625A，中国发明专利说明书CN 100593504C、CN 100450907C、CN1229275C和国际申请说明书WO2010/019122A1、WO2010/019123A1、WO2010/019126A1、WO2010/027346A1等。

利用储能装置处理电梯运行过程中产生的再生能量并实现电梯节能，其性能的好坏在很大程度上依赖于储能装置控制器充放电电路施加控制作用时所依据的控制方法。尽管中国发明专利说明书CN 100450907C(授权公告日：2009年1月14日)、中国发明专利说明书CN 100407545C(授权公告日：2008年7月30日)等提出了基于母线电压对储能装置的充放电电路进行控制，但这些发明中的电压参考值为恒定值。由于电压参考值为恒定值，当电梯电机做电动运行时，在储能装置的充电状态下降到其最小值时，电梯电机所需的电流或功率将迅速由储能装置切换至电网，此时母线电压则会随之瞬间由其参考值瞬时跌落至电网经整流后输出的直流电压值(母线电压参考值一般都会高于电网经整流后输出的直流电压值)；当电梯电机做再生运行时，在储能装置的充电状态上升到其最大值时，储能装置的充电电流或功率将迅速降为零。因电机产生的再生能量全部累积在母线上引起母线电压迅速上升，当直至母线电压升高至能耗电路的启动值时，能耗电路将再生能量转化为热量而消耗掉，母线电压则维持在某一恒定值或某一区间。由上述分析不难发现，不论电梯电机是处于电动状态还是再生状态，如果母线电压参考值恒定不变，实际的母线电压都会出现急速变化，这显然会对电机的调速性能产生不利影响。

因此，开发一种能够利用储能装置处理电梯运行过程中产生的再生能量并降低电梯能耗，且能通过适当控制有效减缓母线电压剧烈波动、从而改善电梯电机控制性能的电梯节能装置，就成为利用储能装置处理电梯再生能量的一个有待解决的课题。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种电梯节能装置，能有效减缓母线电压的剧烈波动。

为解决上述技术问题，本发明的电梯节能装置包括：

一储能装置，经一充放电电路跨接于直流母线两端，用于储存电梯电机再生运行时产生的再生能量、并在电梯电机电动运行时将所储能量释放至直流母线；

一储能装置状态检测器，用于检测所述储能装置工作状态；

一储能装置控制器，用于控制直流母线与所述储能装置间的能量流动；

一充放电电路，设置于直流母线与所述储能装置之间，用于实现二者之间的能量双向流动；其中，

所述储能装置控制器根据母线电压及其参考值在所述储能装置和所述充放电电路允许的范围内对充放电电路进行控制，并且该母线电压参考值根据储能装置的充电状态和/或充电状态的变化可变。

本发明可以达到的有益技术效果是：

本发明提供的电梯节能装置中，储能装置能够在电梯电机再生运行时存储再生能量、在电梯电机电动运行时释放所储存的能量提供给电机供其电动运行，因此可以实现电梯节能。

本发明提供的电梯节能装置中，母线电压参考值可依照储能装置的充电状态适当变化，因此可有效减缓母线电压的剧烈波动，改善电梯电机的控制性能。

在现有技术、尤其是在现已公开的专利中，尽管已经有根据母线电压对储能装置的充放电进行控制的方法。但由于其母线电压参考值恒定，使得母线电压在特定情况下出现剧烈波动，从而影响电机调速性能。本发明提供的电梯节能装置虽然也是根据母线电压对储能装置的充放电进行控制，但母线电压参考值依照储能装置的充电状态可变，可有效减缓现有技术存在的母线电压的剧烈波动，因此克服了现有技术中的缺点。

附图说明

图1是本发明提供的电梯节能装置一实施例总体结构示意图；

图2是本发明中电压控制单元一实施例结构示意图；

图3是本发明中电流控制单元一实施例结构示意图。

图中符号说明：

1、外部电源 2、整流器 3、平滑直流电容

4、母线电压检测装置 5、能耗电路 6、直流母线

7、逆变器 8、电流检测装置 9、电梯电机

10、曳引轮 11、导向轮 12、对重

13、轿厢 14、电流控制器 15、速度检测装置

16、速度控制器 17、电梯控制器 18、能耗控制器

19、充放电电路 20、储能装置 21、储能装置状态检测器

22、储能装置控制器 23、电梯控制装置

具体实施方式

在下述说明中，规定：充放电电流由储能装置流向母线为正、反之为负，电梯电机电动运行吸收电能做功时所需功率为正、反之为负。

参见图1，在本实施例中，外部电源1与整流器2的三相交流侧相连，整流器2的2相直流侧经直流母线6与逆变器7的2相直流侧相连，平滑直流电容3和能耗电路5分别跨接于直流母线6两端，母线电压检测装置4设置在平滑直流电容3的两端，逆变器7的3相交流侧经电流检测装置8与电梯电机9相连，电梯电机9经特定结构与曳引轮10相连，轿厢13与对重12通过绳索悬吊于曳引轮10和导向轮11的两侧。电梯控制器17根据层站召唤、轿内指令或群控系统的调配命令生成电梯运行的速度指令值，速度控制器16根据电梯控制器17确定的速度指令值和速度检测装置15所检测到的电梯电机9的实际转速生成电流控制器14的电流指令值。电流控制器14根据速度控制器16生成的电流指令值和电流检测装置8的电流检测结果生成对逆变器7的控制信号。电梯控制器17、速度控制器16和电流控制器14总称为电梯控制装置23。

储能装置20经充放电电路19跨接于直流母线6的两端。储能装置控制器22根据来自于储能装置状态检测器21所检测到的储能装置20的充电状态信息和母线电压检测装置4检测到的直流母线电压对充放电电路19进行控制，以此实现能量在储能装置20和直流母线6间的传递。

能耗控制器18根据母线电压检测装置4检测到的直流母线电压对能耗电路5的开关元件进行开通与关断控制。

电梯控制器17、速度控制器16和电流控制器14的控制原理与常规的电梯调速原理相同，不是本发明的关注点，此处不作赘述。下面将说明重点放在充放电电路19、储能装置20、储能装置状态检测器21和储能装置控制器22的工作过程上。

在本发明中，储能装置20的充电状态是指可由所述储能装置状态检测器21直接检测得到或可经推算间接得到的、能够体现所述储能装置20的实际储能情况或容量使用情况的参数的一种或多种参数的组合，这些参数可以是储能装置20的充电率、端电压、充放电电流、温度等。为便于后续表述，将上述参数或其组合统称为充电状态，并假定充电状态可直接由储能装置状态检测器21检测得到。

本发明中的储能装置控制器22为双闭环结构，包括如下2个子单元：

电压控制单元：根据母线电压参考值对母线电压进行控制，使母线电压跟踪其参考值，同时生成电流控制单元的电流指令值；

电流控制单元：根据电压控制单元生成的电流指令值对所述储能装置20的充放电电流进行控制，使其跟踪电流指令值。

具体工作过程如下：

当电梯电机9处于电动状态时，电梯电机9会经由逆变器7从直流母线6上吸收电能，导致直流母线6两端的母线电压降低，使得母线电压的实际值低于其参考值。电压控制单元根据母线电压的实际值与其参考值之差生成电流控制单元的电流指令值i_ref，此时i_ref＞0(i_ref＞0表示电流方向为由储能装置20经充放电电路19流向直流母线6)。电流控制单元则根据电流指令值i_ref对储能装置20的充放电电流进行控制，使其跟踪电流指令值i_ref。此时储能装置20处于放电状态，则储能装置状态检测器21检测到的充电状态下降，母线电压参考值遵循一定规律随之下降。由于电压控制单元的控制作用，母线电压的实际值跟随其参考值下降。当储能装置20的充电状态下降到其下限时，储能装置20将停止放电，此时母线电压跟随其参考值下降到其最小值V_DCrefmin(实际设计时，V_DCrefmin可取为略低于外部电源1的三相电经整流器2整理后得到的直流电压值)，外部电源1将会取代储能装置20经逆变器7向电梯电机9提供其电动运行所需的电能。

当所述电流控制单元的电流指令值超出充放电电路19或储能装置20的允许范围时，电流指令值限幅为所述允许范围的上、下限值，且该上、下限值根据所述储能装置20和充放电电路19的实际工况进行调整。

另外，当所述电流控制单元的电流指令值大于充放电电路19或储能装置20所允许的最大值且充电状态变化率＜0时，储能装置20处于放电状态，且储能装置20提供的能力不足以满足电梯电机9的需要。由于电流指令值的限幅作用，母线电压的实际值的下降将快于其指令值。此时若母线电压参考值仍维持原来的变化规律，那么一方面会导致电压控制单元中的电压控制器的过饱和，另一方面会出现母线电压参考值与外部电源1的三相电，经整流器2整理后得到的直流电压水平之间存在很大差距时就发生储能装置20已放电至其最低充电状态，外部电源1取代储能装置20向电梯电机9提供电能这一过程。为了避免发生电压控制器的过饱和与上述取代过程发生时母线电压参考值与外部电源1的三相电经整流器2整理后得到的直流电压水平之间存在过大差距的现象，可将母线电压参考值的变化率增至原来的α倍，α＝1+(电流指令值-电流最大值)/电流最大值。

当电梯电机9处于再生状态时，电梯电机9产生的再生能量经由逆变器7累积在直流母线6上，导致直流母线6两端的母线电压升高，使得母线电压的实际值高于其参考值。电压控制单元根据母线电压的实际值与其参考值之差生成电流控制单元的电流指令值i_ref，此时i_ref＜0(i_ref＜0表示电流方向为由直流母线6经充放电电路19流向储能装置20)。电流控制单元则根据电流指令值i_ref对储能装置20的充放电电流进行控制，使其跟踪电流指令值i_ref。此时储能装置20处于充电状态，则储能装置状态检测器21检测到的充电状态上升，母线电压参考值遵循一定规律随之升高。由于电压控制单元的控制作用，母线电压的实际值跟随其参考值上升。

当电流指令值小于储能装置20和充放电电路19所允许的电流最小值时，电流指令值应限幅为所述最小值，并且该最小值同样可根据所述储能装置20和充放电电路19的实际工况进行调整。

本发明中，电流控制单元的电流指令值的获取有如下几种方式：

方式1：电压控制单元的输出；

方式2：电压控制单元的输出与电梯电机负载电流之和；

方式3：电压控制单元的输出与电梯运行所需功率和母线电压的商之和。

本发明中，电梯电机9负载电流的获取有如下几种方式：

方式1：直接检测直流母线电流；

方式2：通过检测逆变器3相侧电流或由交轴电流或交轴电流指令值、力矩电流或力矩电流指令值经演算得到；

方式3：由电梯运行速度、加速度和轿厢负载称量装置(图1中未示出)输出的轿厢负载情况辅以电梯系统参数等电梯相关信息经演算得到。

本发明中，电梯运行所需功率的获取有如下几种方式：

方式1：再生功率可以通过计算电梯电机的力矩或力矩电流或力矩电流指令值与角速度之积而得到，或是通过计算交轴电流与交轴电压指令值的乘积加上直轴电流与直轴电压指令值的乘积所得到的和，或交轴电流指令值与交轴电压指令值的乘积加上直轴电流与直轴电压指令值的乘积所得到的和，或交轴电流与交轴电压指令值的乘积加上直轴电流指令值与直轴电压指令值的乘积所得到的和，或交轴电流指令值与交轴电压指令值的乘积加上直轴电流指令值与直轴电压指令值的乘积所得到的和来获取。

方式2：首先根据轿厢负载称量装置输出的轿厢负载情况、电梯运行加速度以及电梯系统参数来计算电梯的实时力矩，然后结合电梯的运行速度计算出电梯的实时功率，最后再综合考虑系统损耗、效率等因素对计算出的电梯实时功率进行适当调整后得到最终的电梯运行所需功率。

方式3：再生功率取为由直流母线电压及其参考值确定的母线电压误差功率与方式1或2中的所述方法计算结果之和。

本发明中，母线电压参考值V_DCref的变化规律有如下几种形式：

形式1：

V_DCref＝V_DCrefmin+(V_DCrefmax-V_DCrefmin)·(Q-Q_min)/(Q_max-Q_min) (公式1)

其中V_DCrefmin是母线电压的最小值，V_DCrefmax是母线电压的最大值，Q是所述储能装置20的当前充电状态，Q_min和Q_max分别是所述储能装置20允许的最小、最大充电状态。

形式2：

V_DCref＝V_DCrefmax-(V_DCrefmax-V_DCrefmin)·(Q_max-Q)/(Q_max-Q_min) (公式2)

符号意义同公式1。

形式3：

V_DCref←V_DCref+sign(ΔQ)·ΔV_DCref (公式3)

其中，sign(*)是符号函数，*泛指符号函数sign(*)的自变量，ΔQ是所述储能装置当前的充电状态变化率，ΔV_DCref是母线电压参考值V_DCref的基准变化量，左箭头←表示赋值运算。

形式4：母线电压参考值V_DCref的基准变化量ΔV_DCref为预先设定的恒定值，或是一变量，且满足：

ΔV_DCref＝(V_DCrefmax-V_DCrefmin)·ΔQ/(Q_max-Q_min) (公式4)

形式5：母线电压参考值V_DCref的基准变化量ΔV_DCref为电压参考值可表达为ΔV_DCref＝η·C，其中C为常数，η＝α·Q+β·ΔQ，α、β分别为储能装置的充电状态及其变化率的权重系数。

形式6：母线电压参考值为任一连续单调增函数V_DCref(Q)，且满足边界条件：

V_DCref(Q_min)＝V_DCrefmin，V_DCref(Q_max)＝V_DCrefmax (公式5)

图2为电压控制单元的结构示意图，其工作过程为：母线电压检测装置4输出的母线电压实际值与母线电压的参考值一起作为输入量被送入一减法器，减法器经减法运算后得到母线电压误差，该误差进一步作为输入被送入电压控制器，后者输出得到电流控制单元的电流指令的全部或部分(决定于前述电流控制单元的电流指令值的获取方式)。

图3为电流控制单元的结构示意图，其工作过程为：电流指令与储能装置20的充放电电流一起作为输入量被送入一减法器，减法器经减法运算后得到电流误差，该误差进一步作为输入被送入电流控制器，后者输出得到充放电电路19的控制命令，依照该控制命令对充放电电路19进行控制，即可完成能量在直流母线6与储能装置20之间的交换。

本实施例中，充放电电路19既可为任意单支路或含有n(n≥2)条支路的双向DC-DC电力变换器；储能装置20的充电状态是可由所述储能装置状态检测器21直接检测得到或可经推算间接得到的、能够体现所述储能装置20的实际储能情况或容量使用情况的参数的一种或多种参数的组合；储能装置20可为蓄电池、超级电容、纳米电容以及其它未述及的储能性装置的一种或若干种组合；储能装置状态检测器21通过检测所述储能装置20的电压、电流、温度及其它能够反应所述储能装置20工作状态的一种或若干种特性的组合来实现对所述储能装置20充电状态的检测。

本发明的电梯节能装置能够利用储能装置在电梯电机再生运行时存储再生能量，在电梯电机电动运行时释放所储存的能量提供给电机供其电动运行来降低电梯能耗的；该电梯节能装置通过适当控制储能装置和充放电电路来有效减缓母线电压剧烈波动，从而改善电梯电机的控制性能。

所述电梯节能装置并联连接于由多台共用直流母线的电梯所组成的电梯组中。

以上通过具体实施方式和实施例对本发明进行了详细的说明，但这些并非构成对本发明的限制。在不脱离本发明原理的情况下，本领域的技术人员还可做出许多变形和改进，这些也应视为本发明的保护范围。

Claims

1.一种电梯节能装置，包括：

一储能装置，经一充放电电路跨接于直流母线两端，用于储存电梯电机再生运行时产生的再生能量，并在电梯电机电动运行时将所储能量释放至直流母线；

一储能装置状态检测器，用于检测所述储能装置工作状态；

一充放电电路，设置于直流母线与所述储能装置之间，用于实现二者之间的能量双向流动；其特征在于，

所述储能装置控制器根据母线电压及其参考值在所述储能装置和充放电电路允许的范围内对充放电电路进行控制，并且该母线电压参考值根据储能装置的充电状态和/或充电状态的变化可变。

2.根据权利要求1所述的电梯节能装置，其特征在于，所述母线电压参考值V_DCref的变化规律为：

V_DCref＝V_DCrefmin+(V_DCrefmax-V_DCrefmin)·(Q-Q_min)/(Q_max-Q_min)

其中，V_DCrefmin是母线电压的最小值，V_DCrefmax是母线电压的最大值，Q是所述储能装置的当前充电状态，Q_min和Q_max分别是所述储能装置允许的最小、最大充电状态。

3.根据权利要求1所述的电梯节能装置，其特征在于，所述母线电压参考值的变化规律为：

V_DCref＝V_DCrefmax-(V_DCrefmax-V_DCrefmin)·(Q_max-Q)/(Q_max-Q_min)

4.根据权利要求1所述的电梯节能装置，其特征在于，所述母线电压参考值的变化规律为：

V_DCref←V_DCref+sign(ΔQ)·ΔV_DCref

5.根据权利要求1所述的电梯节能装置，其特征在于，所述母线电压参考值，即V_DCref的基准变化量ΔV_DCref为预先设定的恒定值，或是一变量，且满足：ΔV_DCref＝(V_DCrefmax-V_DCrefmin)·ΔQ/(Q_max-Q_min)；

或者可表达为ΔV_DCref＝η·C；

其中，C为常数，η＝α·Q+β·ΔQ，α、β分别为储能装置的充电状态及其变化率的权重系数；V_DCrefmin是母线电压的最小值，V_DCrefmax是母线电压的最大值，ΔQ是所述储能装置当前的充电状态变化率，Q_min和Q_max分别是所述储能装置允许的最小、最大充电状态。

6.根据权利要求1所述的电梯节能装置，其特征在于，所述母线电压参考值为任一连续单调增函数V_DCref(Q)，且满足边界条件：

V_DCref(Q_min)＝V_DCrefmin，V_DCref(Q_max)＝V_DCrefmax，

7.根据权利要求1所述的电梯节能装置，其特征在于，所述储能装置控制器为双闭环结构，包括如下2个子单元：

电流控制单元：根据电压控制单元生成的电流指令值对所述储能装置的充放电电流进行控制，使其跟踪电流指令值。

8.根据权利要求7所述的电梯节能装置，其特征在于：所述电流控制单元的电流指令值由所述电压控制单元的输出获取，亦可为所述电压控制单元的输出与电梯电机负载电流之和，或者是所述电压控制单元的输出与电梯运行所需功率和母线电压的商之和。

9.根据权利要求8所述的电梯节能装置，其特征在于：所述电梯电机负载电流，可直接通过检测直流母线电流来获取；或是由逆变器3相侧电流，或交轴电流或交轴电流指令值，或力矩电流或力矩电流指令值经演算得到；或是由电梯运行速度、加速度和轿厢负载称量装置输出的轿厢负载情况辅以电梯系统参数经演算得到。

10.根据权利要求8所述的电梯节能装置，其特征在于：所述电梯运行所需功率，可以通过计算电梯电机的力矩或力矩电流或力矩电流指令值与角速度之积，或交轴电流与交轴电压指令值的乘积加上直轴电流与直轴电压指令值的乘积所得到的和，或交轴电流指令值与交轴电压指令值的乘积加上直轴电流与直轴电压指令值的乘积所得到的和，或交轴电流与交轴电压指令值的乘积加上直轴电流指令值与直轴电压指令值的乘积所得到的和，或交轴电流指令值与交轴电压指令值的乘积加上直轴电流指令值与直轴电压指令值的乘积所得到的和；或根据轿厢负载称量装置输出的轿厢负载情况、电梯运行加速度以及电梯系统参数来计算电梯的实时力矩，结合电梯的运行速度计算出电梯的实时功率，最后再综合考虑系统损耗、效率对计算出的电梯实时功率进行适当调整后得到最终的电梯运行所需功率。

11.根据权利要求7或8所述的电梯节能装置，其特征在于：当所述电流控制单元的电流指令值超出充放电电路或储能装置的允许范围时，电流指令值限幅为所述允许范围的上、下限值，且该上、下限值根据所述储能装置和充放电电路的实际工况进行调整。

12.根据权利要求7或8所述的电梯节能装置，其特征在于：当所述电流控制单元的电流指令值大于充放电电路或储能装置所允许的最大值且充电状态变化率ΔQ＜0时，母线电压参考值的变化率增至原来的α倍，α＝1+(电流指令值-电流最大值)/电流最大值。

13.根据权利要求1所述的电梯节能装置，其特征在于：所述储能装置的充电状态是指可由所述储能装置状态检测器直接检测得到或可经推算间接得到的、能够体现所述储能装置的实际储能情况或容量使用情况的参数的一种或多种参数的组合。

14.根据权利要求1所述的电梯节能装置，其特征在于：所述储能装置可为蓄电池、超级电容和纳米电容的一种或多种组合。

15.根据权利要求1所述的电梯节能装置，其特征在于：所述充放电电路为任意单支路或含有n条支路的双向DC-DC电力变换器，其中，n≥2。

16.根据权利要求1所述的电梯节能装置，其特征在于：所述储能装置状态检测器通过检测所述储能装置的电压、电流和温度的一种或多种特性的组合来实现对所述储能装置充电状态的检测。

17.根据权利要求1所述的电梯节能装置，其特征在于：所述电梯节能装置并联连接于由多台共用直流母线的电梯所组成的电梯组中。