CN102372201B - 电梯贮能装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电梯贮能装置，包括：整流器、逆变器、电梯控制装置、充放电电路、电能贮存装置和以预定的母线电压指令值为目标值，通过输出驱动信号控制所述充放电电路对所述直流母线充放电的充放电控制装置。所述预定的母线电压指令值可以变动；所述母线电压指令值的变化方向，由所述电能贮存装置充放电电流指令值的方向决定；母线电压指令值的变化速率，由所述电能贮存装置充放电电流指令值的大小决定。本发明不仅能够有效利用电梯再生能量，还能够有效减少和避免母线电压波动的幅度和速率。

Description

电梯贮能装置

技术领域

本发明涉及电梯控制领域，特别是涉及一种利用电能贮存装置进行电梯再生能量再利用的电梯贮能装置。

背景技术

一般在电梯中，如图1所示，对于电梯满载下行，即轿厢6重量大于对重5重量时电梯轿厢下行；或者轻载上行，即轿厢6重量小于对重5重量时电梯轿厢上行，势能会转化成动能提供给电梯电机1，使电梯电机1处于发电状态产生再生能量，这部分再生能量如果不处理掉就会造成直流母线电压升高，对逆变器3和其它电子元器件会造成损坏。一般有以下三种方式处理再生能量：

方式1、将再生能量转化成热能发散到空气中，即开通再生回路4使再生电阻7消耗电能。

方式2、用能量回馈装置将再生能量回馈回电网，即整流器2是可控的，可以将直流电逆变送回电网。

方式3、用电能贮存装置储存电梯再生能量，在电梯需要电能时再馈送回电梯。

在上述三种方式中，方式1把再生电能以热能消耗掉，不节能环保；方式2虽然节能，但是回馈的交流电或多或少存在谐波，对电网会产生影响，不能适用于任意场合；方式3可以克服上述两种方式的缺点。

另外，对于现有的电能贮存装置的充放电控制，若采用直流母线电压、电能贮存装置充放电电流双闭环的控制方式，现有公开的专利文献，如中国发明专利说明书CN100450907C(授权公告日：2009年1月14日，专利号：ZL 200510079019.0)和中国发明专利说明书CN100407545C(授权公告日：2008年7月30日，专利号：ZL 00818475.5)采取维持比电网侧全波整流电压高的恒定的电压指令的方式，这种方式会造成以下问题：

当电梯处于电动运行状态，且电能贮存装置的功率小于电梯电机所需功率或者由于储存的电能耗尽而无法再给电梯提供电能时，则需要从电网侧获取电能。只有当直流母线电压需要跌落至全波整流电压540V(以380V工业供电电压为例)时，逆变器才能从电网侧吸收电能。在电压跌落过程中，若充放电控制装置采取电压指令值恒定且大于电网侧全波整流电压的方式，控制装置的电压环迅速进入饱和状态，电能贮存装置很快就以最大功率放电。由于电压环处于饱和状态，直流母线电压其实是不可控的，电压跌落的速度和幅度都可能比较大。同样道理，当电梯电机处于再生状态，电能贮存装置由于容量饱和而不能再吸收再生电能，或者其吸收功率小于电机再生功率，则直流母线电压需要上升至再生回路开通电压，使再生回路开通消耗多余的再生电能。在电压上升过程中，若充放电控制装置采取电压指令值恒定且大于电网侧全波整流电压的方式，控制装置的电压环迅速进入饱和状态，电能贮存装置很快就以最大功率充电。由于电压环处于饱和状态，直流母线电压其实是不可控的，电压上升的速度和幅度都可能比较大。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种电梯贮能装置，不仅能够有效利用电梯再生能量，还能够有效减少和避免母线电压波动的幅度和速率。

为解决上述技术问题，本发明的电梯贮能装置，包括：

将交流电转换成直流电的整流器；

将所述直流电变换成可变电压可变频率交流电的逆变器；

连接在所述逆变器侧的电梯电机以及控制所述电梯电机的电梯控制装置；

在所述整流器和逆变器之间的直流母线间设置的充放电电路；

在所述电梯电机再生运行时通过所述充放电电路贮存来自直流母线的直流电，在所述电梯电机电动运行时通过所述充放电电路向直流母线提供所贮存的直流电的电能贮存装置；

以预定的母线电压指令值为目标值，通过输出驱动信号控制所述充放电电路对所述直流母线充放电的充放电控制装置；其中，

所述预定的母线电压指令值可以变动；所述母线电压指令值的变化方向，由所述电能贮存装置充放电电流指令值的方向决定；所述母线电压指令值的变化速率，由所述电能贮存装置充放电电流指令值的大小决定。

所述充放电控制装置采取对直流母线电压和所述电能贮存装置充放电电流做双闭环控制的方式，直流母线电压环输出所述电能贮存装置充放电电流指令值。

所述充放电控制装置，其直流母线电压环输出的电能贮存装置充放电电流指令值的限幅值，由所述电能贮存装置的充放电状态和所述充放电电路的模块特性中的至少一种决定。

所述充放电状态是指电能贮存装置的电压、温度和剩余容量中的至少一种。

所述充放电电路的模块特性是指在满足散热条件下，模块能输出的最大电流值。

所述充放电控制装置根据电梯功率计算得到电能贮存装置充放电电流指令值的前馈信号。

所述电能贮存装置由超级电容器、蓄电池、镍镉镍氢电池和纳米门电容器中的至少一种构成。

所述预定的电压指令值的最小值，由所述整流器的输出直流电压大小决定。

所述预定的电压指令值的最大值，由电梯贮能装置中的再生电阻回路的开通电压决定。

本发明——控制电能贮存装置进行电梯再生能量再利用的电梯贮能装置采用可变化的母线电压指令值。在电梯电机处于再生状态时，母线电压指令值会不断上升并接近再生回路的动作电压；在电动状态时，母线电压指令值会不断下降并接近整流器输出直流电压。相比现有技术中采用恒定电压指令值时一旦电能贮存装置功率不足而导致母线电压从恒定电压指令值迅速升高至再生回路的动作电压或者迅速跌落至整流侧电压的情况，本发明可以大大降低出现上述情况后的直流母线电压变动幅度和速率，且能快速退出电压环的饱和状态，使直流母线电压处于可控。

除此之外，本发明中直流母线电压、充放电电流双闭环控制还可以选择在充放电电流指令值中加入前馈信号，该前馈信号通过电梯实时功率计算得到。与现有的“通过将电梯实时功率计算得到的充放电电流直接单独作为电流闭环控制的指令值”这种方法相比较，由于最终充放电电流指令值中还有直流母线电压环的电流指令值输出，可以避免由于电梯实时功率计算不准确导致的电能贮存装置充放电功率与电梯功率不相等，引起不必要的直流母线电压波动。另外，这一方式相比不加入前馈信号的直流母线电压、充放电电流双闭环控制，其能够提高电压环响应精度和响应速度。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明：

图1是本发明的电梯贮能装置运用于一实施例的结构示意图；

图2是本发明中采用的电压电流双闭环控制一实施例结构框图；

图3是图2中电压指令生成单元控制流程图；

图4是本发明中典型工作状态的母线电压、电压指令变化的示意图。

具体实施方式

图1所示为本发明的电梯贮能装置运用于一实施例结构示意图，其中，标号25即为本发明所述电梯贮能装置，包括：可以由超级电容或蓄电池等构成的电能贮存装置8、由双向DC/DC电源构成的充放电电路9、充放电控制装置10、电能贮存装置的检测单元12、充放电电流检测单元13、直流母线电流检测单元14、逆变器输出三相电流检测单元15、直流母线电压检测装置16、充放电电路的开关元件22、23。图1中，虚线28表示的是电梯贮能装置25与电梯控制装置26的通信连接，如果选择采用对充放电电流指令值加入电梯功率计算得到的前馈信号时，并且电梯实时功率从电梯控制装置26获得，则需要该通信连接28，因此，通信连接28用虚线表示，意为选用；如果电梯实时功率直接从直流母线测得，则电梯贮能装置25只需要包括直流母线电压检测装置16和直流母线电流检测单元14。

除上述电梯贮能装置25之外，实施例里还需普通电梯的基本部件，包括：电梯电机1、整流器2、逆变器3、再生回路开关4、对重5、轿厢6、再生电阻7、三相交流工频电源11、电梯控制装置26和电网侧输入电压检测装置27。

图2为本发明实施形态的电压电流双闭环控制框图。其中包括：电压环调节器20、电压环输出限幅器17、PWM发生电路19、电流环调节器21和电流环输出限幅器18、电压指令生成单元24和电梯功率电流补偿计算单元29。如果选择采用对充放电电流指令值加入电梯功率计算得到的前馈信号时，就需要该电梯功率电流补偿计算单元29，因而图2中用虚线框标出，意为选用。规定所述电流指令

为正时，图1中的电能贮存装置8放电，向直流母线馈送电能；电流指令

为负时，电能贮存装置8充电，从直流母线吸收电能。

图3为电压指令生成单元24控制流程图。第k次运算周期生成的电压指令都是根据上次运算周期得到的电压指令和本次运算周期的指令电压变化量

进行调整。的大小根据充放电电流大小查表获得。

在下表1中，根据输入充放电电流绝对值大小，选择对应的电压指令变化量如果充放电电流绝对值大小为0，则

也为0。而电压指令的变化方向，则取决于上一运算周期的电流指令I_C(k-1) ^*的方向。I_C(k-1) ^*为正，则

减去

得到

I_C(k-1) ^*为负，加上

得到

表1

根据图3所示，电压指令生成单元24需要对输出指令

进行限幅。电压指令的最小值需要根据整流侧输入交流电压调整，保证

为接近并大于整流侧输出直流电压。同理，电压指令的最大值

根据再生回路开通电压进行调整，保证

接近并小于再生回路开通电压。

如图2所示，生成电压指令U^*后，将该指令与图1的直流母线电压检测装置16检测的实际母线电压之差进行电压环调节运算，例如比例积分调节；之后经过电压环输出限幅器17限幅后，输出充放电电流指令值

上述电压环输出限幅器17的正值为电能贮存装置8的放电最大电流，负值对应电能贮存装置8的充电最大电流。充放电的最大电流取决于充放电电路9中的模块性能，以及电能贮存装置8的充放电状态，包括其温度、电压或者剩余容量。其具体实施方法类似于表1中

的查表的方法。

参见表2，表中充放电电流指令限幅值，也就是上文所述的电压环输出限幅器17的输出值。电能贮存装置8的温度所对应的充放电电流指令限幅值绝对值相同，并且随着温度的提升，该值逐渐减小即

然而，电能贮存装置8的电压(参见表3)和剩余容量(参见表4)所对应的充电和放电电流指令限幅值不同，电压越高、剩余容量越小，充电电流指令限幅越小而放电电流指令限幅越大；电压越低、剩余容量越大，充电电流指令限幅越大而放电电流指令限幅越小；即，

${I_{\mathrm{2,1}}}^{*}>{I_{\mathrm{2,2}}}^{*}>{I_{\mathrm{2,3}}}^{*}>...;$ ${I_{\mathrm{4,1}}}^{*}>{I_{\mathrm{4,2}}}^{*}>{I_{\mathrm{4,3}}}^{*}>...;$

${I_{\mathrm{3,1}}}^{*}<{I_{3,2}}^{*}<{I_{3,3}}^{*}<...<{I_{3,n}}^{*};$ ${I_{\mathrm{5,1}}}^{*}<{I_{\mathrm{5,2}}}^{*}<{I_{\mathrm{5,3}}}^{*}<...<{I_{5,n}}^{*}.$

           表2                                    表3

           表4

总的来说，充放电电流指令的限幅值，取决于上述电压调节器20输出的正负极性，以及电能贮存装置8的温度、电压和剩余容量。从表2至表4中选择各自对应的电流限幅值。电压调节器20输出为正则选取放电电流限幅，电压调节器20输出为负值选取充电电流限幅。最后，比较上述3个表格所对应的电流限幅值、充放电电路中模块的电流限幅值，选取其中的最小值作为最终电流限幅。将电压调节器20输出与该最终电流限幅进行绝对值比较，使电压调节器20输出的绝对值不大于电流限幅的绝对值，得到充放电电流指令值

电流指令

再与反馈的实际充放电电流之差进行电流环调节运算，经电流环输出限幅器18限幅后生成控制信号，驱动充放电电路9。

下面结合图4对图1所示的电梯贮能装置25的各种可能状态的具体动作进行说明，其中，实线为母线电压值，虚线为指令电压U^*值。

图4中将电梯贮能装置25按图中的t₁至t₆分成典型的若干种工作状态。图中标示的各点表示的是各种典型的工作状态转换的临界点。J点表示电梯启动预充电结束后切换至再生运行；K点表示电梯再生运行未触发再生回路开通就进入电动状态；L点表示电梯电动运行至指令电压被限幅，电压跌落至电网整流侧电压的情况；M点表示电梯从由电网供电的电动运行转换到再生运行；N点表示电梯长时间大功率再生运行至指令电压升高至再生回路开通的情况；P点表示电梯从再生回路开通运行转换到电动运行；Q点表示电梯电动运行时电压未跌落至整流器输出电压就转换到再生运行。

电梯启动时，如图4中t₀时间段，电压指令值维持在预充电电压值。

进入t₁时间段，假设电梯电机1进入再生运转时，电压环控制器20输出的经过电压环输出限幅器17限幅处理后的电流指令(下文一律简称为电流指令为负值，说明电梯贮能装置25充电，从直流母线吸收电能。根据电流指令的极性，电压指令U^*值开始增加。在整个t₁时间段内的再生过程中，指令电压随着母线电压值上升而上升。电能贮存装置8将一直保持充电状态。

如果指令电压U^*值未达到指令电压最大值

电梯就切换至电动状态，如图4中的K点。此时，电流指令

很快变为正值，说明电梯贮能装置25放电，向直流母线送电。由于电流指令

指令为正方向，电压U^*值将降低。进入t₂时间段，电梯电机1运行于电动状态。整个t₂时间段内，电能贮存装置8保持放电状态，指令电压U^*值随母线电压降低。

如果电梯电机1长时间处于电动状态，指令电压U^*值一直降到最小值

则就进入t₃时间段，如图4中的L点。指令电压U^*值保持在最小值

如果电能贮存装置8的功率和容量满足电梯电动功率需求，直流母线电压指令将维持在

电梯功率由电能贮存装置8提供。一旦出现电能贮存装置8的容量或者功率无法满足电梯运行所需时，其余功率必须由电网整流输出的直流电提供，母线电压会迅速跌落至整流侧电压值。由于

接近市电整流直流电压，电压跌落幅度不大。此时电压环控制处于饱和，以最大功率放电，直流母线电压处于不受控状态。

当电梯电机1从电动状态切换至再生状态时，则切换至t₄时间段。由于电压指令接近整流直流电压，电压环控制器20迅速退出饱和，直流母线电压恢复可控，电压将升高至指令电压最小值

即M点。之后，

为负值)绝对值开始迅速减小，直至

变为正值，ΔU^*反向，指令电压U^*值开始增加。类似于t₁时间段，只要电梯电机1保持在再生状态，电压指令U^*值将随着母线电压不断升高，电能贮存装置8保持充电状态。

如果电梯电机1长时间处于再生状态，指令电压U^*值一直升高至最大值

之后则进入t₅时间段。如图4中的N点，之后指令电压U^*值被限幅于最大值

如果电能贮存装置8的吸收功率大于电梯的再生功率，其能够吸收电梯再生能量，那么直流母线维持在

如果当电能贮存装置8无法全部吸收电梯电机再生功率时，直流母线电压继续升高至再生回路导通，由再生电阻7消耗多余的再生功率。由于

接近再生电阻回路开通电压值，电压上升幅度并不大。此时，电压环控制器20处于饱和，电梯贮能装置25以最大功率充电，直流母线电压处于不受控状态。

当电梯电机1从再生状态切换至电动状态时，则切换至t₆时间段：由于

接近再生开通电压，电压环控制器20迅速退出饱和，直流母线电压恢复可控，电梯贮能装置25开始提供电能。

电压环调节器20存在滞后效应，即只有母线电压指令值和反馈值出现偏差时，电压环调节器20才会去修正，造成动态响应慢。如果能够实时得到电机的功率，直接将这部分电机功率折算的电流

作为功率前馈信号加入

而无需等到功率变化造成母线电压出现偏差时再通过电压环调节器20去修正。电压环的响应精度和响应速度就将大大提高。

如上所述，图2所示的电压电流双闭环控制框图中，采用虚线框表示的电梯功率电流补偿计算单元29。电梯功率电流补偿计算单元29输出的电机功率折算电流

与电流指令值叠加作为最终电梯贮能装置25充放电电流指令，电梯电机1电动时的功率为正，电流

也为正；再生时为负，电流

也为负。并且电梯电机1的实时功率P_W可以通过与电梯控制装置26通信获得或者电梯贮能装置25直接检测母线电压与母线电流并相乘得出。将电机实时功率P_W除以电能贮存装置8的电压值V_C得到电机功率前馈电流

指令值，即

$I_{\mathrm{CC}}^{*}=\frac{P_W}{V_C}$

以上通过具体实施方式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 (8)

1.一种电梯贮能装置，包括：

将交流电转换成直流电的整流器；

将所述直流电变换成可变电压可变频率交流电的逆变器；

连接在所述逆变器侧的电梯电机以及控制所述电梯电机的电梯控制装置；

在所述整流器和逆变器之间的直流母线间设置的充放电电路；

在所述电梯电机再生运行时通过所述充放电电路贮存来自直流母线的直流电，在所述电梯电机电动运行时通过所述充放电电路向直流母线提供所贮存的直流电的电能贮存装置；

以预定的母线电压指令值为目标值，通过输出驱动信号控制所述充放电电路对所述直流母线充放电的充放电控制装置；其特征在于：

所述预定的母线电压指令值可以变动；所述母线电压指令值的变化方向，由所述电能贮存装置充放电电流指令值的方向决定；母线电压指令值的变化速率，由所述电能贮存装置充放电电流指令值的大小决定。

2.根据权利要求1所述的电梯贮能装置，其特征在于：所述充放电控制装置采取对直流母线电压和所述电能贮存装置充放电电流做双闭环控制的方式，直流母线电压环输出所述电能贮存装置充放电电流指令值。

3.根据权利要求2所述的电梯贮能装置，其特征在于：所述充放电控制装置根据电梯功率计算得到电能贮存装置充放电电流指令值的前馈信号。

4.根据权利要求2所述的电梯贮能装置，其特征在于：所述充放电控制装置的直流母线电压环输出的电能贮存装置充放电电流指令值的限幅值，由所述电能贮存装置的充放电状态和所述充放电电路的模块特性中的至少一种决定；

所述充放电电路的模块特性是指在满足散热条件下，模块能输出的最大电流值。

5.根据权利要求4所述的电梯贮能装置，其特征在于：所述电能贮存装置的充放电状态是指电能贮存装置的电压、温度和剩余容量中的至少一种。

6.根据权利要求1所述的电梯贮能装置，其特征在于：所述电能贮存装置由超级电容器、蓄电池、镍镉镍氢电池和纳米门电容器中的至少一种构成。

7.根据权利要求1所述的电梯贮能装置，其特征在于：所述预定的电压指令值的最小值，由所述整流器的输出直流电压大小决定。

8.根据权利要求1所述的电梯贮能装置，其特征在于：所述预定的电压指令值的最大值，由电梯贮能装置中的再生电阻回路的开通电压决定。

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