CN103441521A

CN103441521A - 电梯能量回收利用保障系统

Info

Publication number: CN103441521A
Application number: CN2013103910076A
Authority: CN
Inventors: 刘宏兵; 周树良; 张克宁; 张传利; 胡顺华; 夏敏; 王宏
Original assignee: National Engineering Research Center of Advanced Energy Storage Materials Shenzhen Co Ltd
Current assignee: National Engineering Research Center of Advanced Energy Storage Materials Shenzhen Co Ltd
Priority date: 2013-08-31
Filing date: 2013-08-31
Publication date: 2013-12-11
Anticipated expiration: 2033-08-31
Also published as: CN103441521B

Abstract

电梯能量回收利用保障系统，由电梯能量回馈子系统、储能子系统、管理子系统三部分组成。本发明将电梯回馈的能量存储在储能子系统中，并通过对储能子系统的运行进行经济优化，既满足充分回收电梯能量的目的，又满足对电梯提供应急供电保障，还可以实现整个系统的经济运行。

Description

电梯能量回收利用保障系统

技术领域

本发明涉及一种电梯能量回收利用保障系统，尤其是涉及一种回收利用电梯制动能量的电梯能量回收利用保障系统。

背景技术

城市化的进程催生了房地产的发展，城市建筑的数量大幅度增加，各种高层建筑越来越多，电梯的使用变得普及起来。电梯作为建筑的动力设备，消耗了大量的电能，进一步加剧了城市用电紧张的矛盾。

电梯的上升和下降动作是通过电梯牵引电动机来实现的，牵引电动机的供电原理通常是通过整流桥将市电整流成直流电，再通过逆变桥将直流电变换成交流电提供给牵引电动机使用。整流桥和逆变桥之间有直流母线。电梯启动加速过程中，牵引电机从直流母线汲取功率，直流母线电压有下降趋势；电梯在停机制动减速过程中牵引电机处于发电状态向直流母线反馈电能，直流母线电压有升高趋势。为了保持直流母线电压的相对稳定性，一般采用接入制动电阻方式，通过热耗散方式吸收反馈的能量，导致能量的浪费，产生大量的热量往往还需要空调来降低温度，进一步浪费了宝贵的电能。为回收这些反馈的能量，现有技术中有采用逆变器将直流电转换成交流电，直接回馈到交流母线上，但是这种方法电能质量往往不高，回收效率也不理想。

传统的电梯供电方式，往往单纯依赖市电供应，一旦市电发生故障，电梯即故障停机，有可能危及到人们的生命财产安全。现有技术中有采用UPS或EPS等包含储能子系统的装置作为后备电源方式来提高电梯的应急供电保障，但是往往未能考虑经济性的需求，未能对其运行进行经济优化。

发明内容

本发明要解决的技术问题是，克服现有技术存在的上述缺陷，提供一种可提高电能利用率的电梯能量回收利用保障系统。

本发明解决其技术问题采用的技术方案是：电梯能量回收利用保障系统，由电梯能量回馈子系统、储能子系统、管理子系统三部分组成；

所述电梯能量回馈子系统包括电梯牵引电动机、整流桥、逆变桥、单向DC/DC，电梯牵引电动机与逆变桥双向电连接，逆变桥与直流母线双向电连接，整流桥与直流母线电连接，直流母线通过开关K3与制动电阻电连接，直流母线通过开关K2与单向DC/DC电连接，整流桥通过开关K1与交流配电柜电连接，交流配电柜通过开关K0外接市电；电梯能量回馈子系统主要用于实现电梯的正常能量供应和电梯制动能量的回馈；

储能子系统包括电池堆和双向DC / AC，电池堆通过开关K4与双向DC / AC电连接，双向DC / AC通过开关K5与交流配电柜双向电连接；储能子系统储存电梯能量回馈子系统的电能量，通过双向DC/AC进一步馈送至市电电网利用，同时将一部分电能量作为后备，在市电发生故障不能供电情况下，释放出来给电梯应急供电；

所述储能子系统中的电池堆采用混合动力汽车用动力型镍氢电池，具有良好的高倍率充电和放电能力。

所述管理子系统包括市电监测模块、BMS监测模块、阶梯电价数据库、工作模式决策模块，市电监测模块、BMS监测模块和阶梯电价数据库均与工作模式决策模块双向电连接，BMS监测模块与储能子系统双向电连接，市电监测模块与交流配电柜双向电连接；管理子系统实施对整个电梯能量回收系统的管理控制，指挥系统工作在不同的工作模式下，实现能量回收存储、应急供电、储能子系统管理、存储能量释放等功能。

市电监测模块，主要监测市电的电压、电流、功率、功率因素等电能质量相关信息。BMS监测模块，主要监测储能子系统的电压、电流、温度、充电状态（SOC）、健康状态(SOH)等信息。阶梯电价数据库，存储当前的阶梯电价数据。

所述工作模式决策模块所决定的工作模式有：回收能量模式、释放能量模式、应急供电模式和紧急制动模式。

电梯能量回收保障系统是以储能子系统装置为能量的存储和释放作为能量缓冲公共平台，对电梯回馈能量实施回收，对回收的能量实施管理和经济利用，对市电故障实施响应，满足电梯应急供电保障需求。

电梯能量回收保障系统的储能子系统的容量设置成：大于2倍电梯应急所需能量、小于10倍电梯应急所需能量；电梯能量回收保障系统储能子系统的功率设置成：大于2倍电梯最大制动功率、小于5倍电梯最大制动功率。电梯正常工作状态下，制动回馈电能，电能经过单向DC/DC装置给储能子系统充电，回收电能。由于储能子系统功率大于2倍电梯最大制动功率，储能子系统具备良好的功率平衡吸收能力，充分回收反馈电能，维持直流母线电压稳定；储能子系统功率小于5倍电梯最大制动功率，储能子系统成本不会过高，控制在合理范围。

储能子系统回收的电梯制动反馈电能，当电梯启动或加速瞬间，储能子系统通过双向DC/AC释放电能，提供瞬时的功率支撑，降低对市电功率的需求，提高经济性。当市电处于低价时段，储能子系统SOC（充电状态）处于高位状态运行， SOC控制在70%~90%；当市电处于高价时段，储能子系统SOC处于低位状态运行， SOC控制在20%~30%，此时SOC最低状态下储能子系统带电量大于1.5倍电梯应急所需能量；储能子系统将回收的能量通过双向DC/AC释放电能到市电电网侧，储能子系统放电功率不小于双向DC/AC额定功率的50%。通过储能子系统谷存峰放，最大限度降低峰值电量的使用，同时将回收的能量实现了最大经济价值。

储能子系统将回收的能量通过双向DC/AC释放电能到市电电网侧，其储能子系统放电功率不小于双向DC/AC额定功率的50%，以使得双向DC/AC能工作在高效率能量转换状态。

双向DC/AC的存在，还可以在依据BMS对储能子系统的监测判断，适时对储能子系统进行维护，以保持储能子系统的安全可靠和稳定性。

所述回收能量模式下必须满足的条件有：（1）电梯工作制动馈能，即正常工作电压≤直流母线电压≤制动电阻工作电压，即满足单向DC/DC工作启动条件，又未达到制动电阻启动条件；（2）储能子系统正常即无过压、欠压、过温、低温、过流、绝缘故障、通讯超时等现象；此工作模式下开关状态是：开关K3断开，开关K1、开关K2、开关K4、开关K5闭合，开关K0闭合（市电正常）或断开（市电故障，此时刻同时是应急供电模式）；单向DC/DC工作，双向DC/AC待机。

所述释放能量模式下必须满足的条件有：（1）储能子系统正常即无过压、欠压、过温、低温、过流、绝缘故障、通讯超时等现象；（2）市电价格为高峰或平谷时段价格，或电梯处于启动或加速瞬间；此模式下开关状态是：开关K3断开，开关K1、开关K2、开关K4、开关K5闭合，开关K0闭合（市电正常）或断开（市电故障，此时刻同时是应急供电模式）；单向DC/DC工作或待机；双向DC/AC工作。

所述应急供电模式下必须满足的条件有：（1）市电不正常；（2）储能子系统正常即无过压、欠压、过温、低温、过流、绝缘故障、通讯超时等现象；此模式下开关状态是：开关K3、开关K0断开，开关K1、开关K2、开关K4闭合；单向DC/DC工作或待机；双向DC/AC工作。

所述紧急制动模式下必须满足的条件是，当电梯工作馈能（即电梯在停机制动减速过程中电梯牵引电动机处于发电状态向直流母线反馈电能）异常，即直流母线电压≥制动电阻工作电压，即满足制动电阻工作启动条件，制动电阻启动，将制动电能以热形式耗散，保障电梯的正常安全运行；此模式下的开关状态是：开关K3闭合，开关K0、开关K1、开关K2、开关K4闭合或断开。

与现有技术相比，本发明的电梯能量回收保障系统具有以下的优点：

（1）实现电梯反馈能量的回收存储，并将这些存储的能量经济效益最大化。

（2）提高回收能量再一次馈送至市电电网的电能质量。本发明首先实现电梯反馈能量的回收，再通过储能子系统的中间缓冲存储，最后由储能子系统经双向DC/AC反馈至市电电网。由于有了储能子系统的缓冲，反馈至电网的电能质量可以更加稳定和可靠。

（3）提高市电故障情况下的应急能力，并且实现即便是在应急供电情况下，电梯能量的回收仍然可以进行。

（4）有利于延长储能子系统的寿命。储能子系统在使用过程中，可以通过双向DC/AC用市电来对储能子系统进行均衡和维护，以保持储能子系统始终工作在最佳效率状态。

本发明将电梯回馈的能量存储在储能子系统中，并通过对储能子系统的运行进行经济优化，既实现充分回收电梯能量的目的，又满足对电梯提供应急供电保障的需要，还可以实现整个系统的经济运行。

附图说明

图1是本发明实施例电梯能量回收利用保障系统结构框图；

图2是本发明实施例电梯能量回收利用保障系统运行决策框图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细说明。

参照图1，电梯能量回收利用保障系统由三个部分组成：电梯能量回馈子系统、储能子系统、管理子系统。

所述储能子系统包括电池堆和双向DC / AC，电池堆通过开关K4与双向DC / AC电连接，双向DC / AC通过开关K5与交流配电柜双向电连接；储能子系统储存电梯能量回馈子系统的电能量，通过双向DC/AC进一步馈送至市电电网利用，同时将一部分电能量作为后备，在市电发生故障不能供电情况下，释放出来给电梯应急供电；

市电监测模块，主要监测市电的电压、电流、功率、功率因素等电能质量相关信息。BMS监测模块，主要监测储能子系统的电压、电流、温度、SOC、SOH等信息。阶梯电价数据库，存储当前的阶梯电价数据。

本发明所述储能子系统中的电池堆采用混合动力汽车用动力型镍氢电池，具有良好的高倍率充电和放电能力。

图2是本发明实施例楼宇储能应急节能系统运行决策框图，是管理子系统的核心运行逻辑。下面结合图2来说明系统的各种运行状态和模式。

电梯能量回收保障系统的储能子系统的容量设置成：大于2倍电梯应急所需能量、小于10倍电梯应急所需能量；电梯能量回收保障系统储能子系统的功率设置成：大于2倍电梯最大制动功率、小于5倍电梯最大制动功率。电梯正常工作状态下，制动回馈电能，电能经过单向DC/DC装置给储能子系统充电，回收电能。由于储能子系统功率大于2倍电梯最大制动功率，储能子系统具备良好的功率平衡吸收能力，充分回收反馈电能，维持直流母线电压稳定；储能子系统功率小于5倍电梯最大制动功率，储能子系统成本不会过高，控制在合理范围。在回收能量模式下，电梯将工作制动的能量通过单向DC/DC给储能子系统充电，储存在电池储能子系统中，首先降低了电阻消耗方式浪费的电能；其次减少了电阻发热造成的环境温度上升，避免了电梯工作环境劣化；三是在市电故障情况下，整个回收能量模式仍然可以正常工作而不受影响，电梯的应急供电保障能力进一步加强。

所述释放能量模式下必须满足的条件有：（1）储能子系统正常即无过压、欠压、过温、低温、过流、绝缘故障、通讯超时等现象；（2）市电价格为高峰或平谷时段价格，或电梯处于启动或加速瞬间；此模式下开关状态是：开关K3断开，开关K1、开关K2、开关K4、开关K5闭合，开关K0闭合（市电正常）或断开（市电故障，此时刻同时是应急供电模式）；单向DC/DC工作或待机；双向DC/AC工作。该工作模式下将低谷时段存储或回收在储能子系统中的电能，在高峰时刻通过双向DC/AC释放到市电电网中，实现了所存储电能的经济最大化。在释放能量模式下，在高峰时段，系统同样可以进行回收能量的工作，即将电梯工作制动的能量，通过单向DC/DC给储能子系统缓存充电，同时双向DC/AC也在工作，立即将储能子系统缓存的电能逆变输送到市电电网。当市电处于低价时段，储能子系统SOC（充电状态）处于高位状态运行， SOC控制在70%~90%；当市电高价时段，储能子系统SOC处于低位状态运行， SOC控制在20%~30%，此时SOC最低状态下储能子系统带电量大于1.5倍电梯应急所需能量。通过储能子系统谷存峰放，最大限度降低峰值电量的使用，同时将回收的能量实现了最大经济价值。储能子系统将回收的能量通过双向DC/AC释放电能到电网侧，其储能子系统放电功率不小于双向DC/AC额定功率的50%，以使得双向DC/AC能工作在高效率能量转换状态。

??应急供电模式：该工作模式下必须满足的条件有：（1）市电不正常；（2）储能子系统正常即无过压、欠压、过温、低温、过流、绝缘故障、通讯超时等现象。该模式下开关状态是：开关K3、开关K0断开，开关K1、开关K2、开关K4闭合；单向DC/DC工作或待机；双向DC/AC工作。该工作模式下即当市电发生故障时候，系统立即切断与市电的连接开关K0，储能子系统立即给电梯提供应急电能，维持电梯的正常工作，保障电梯内人员的生命安全。同时在该模式下，系统同样可以进行回收能量的工作，即将电梯工作制动的能量，通过单向DC/DC传递给储能子系统缓存充电，同时双向DC/AC也在工作，立即将储能子系统缓存的电能逆变输送到交流配电柜提供给电梯工作，应急情况下电梯的耗能仍然维持在较低的水平，应急能力大大提升。

??紧急制动模式：该工作模式下必须满足的条件是当电梯工作馈能异常（即电梯在停机制动减速过程中电梯牵引电动机处于发电状态向直流母线反馈电能），即直流母线电压≥制动电阻工作电压，即满足制动电阻工作启动条件，制动电阻启动，将制动电能以热形式耗散，保障电梯的正常安全运行。该模式下的开关状态是：开关K3闭合，开关K0、开关K1、开关K2、开关K4闭合或断开，视具体情况确定。该工作模式下的特点是：当储能子系统或单向DC/DC发生故障时候，或储能子系统已经充满电但是双向DC/AC发生故障，或是储能子系统处于维护状态，电梯正常工作发生能量制动回馈，直流母线电压上升，电能无法反馈出去，进一步上升达到制动电阻启动阀值，制动电阻启动将电能消耗一部分，使得直流母线电压下降到正常水平，保证了整个电梯系统的安全工作。

总之，与现有技术相比，本发明所提供的楼宇储能应急节能系统，具有以下的特点和优点：

第一、实现电梯反馈能量的回收存储，并将这些存储的能量经济效益最大化。

第二、提高回收能量再一次馈送至电网的电能质量。本发明首先实现电梯反馈能量的回收，再通过储能子系统的中间缓冲存储，最后由储能子系统经双向DC/AC反馈至电网。由于有了储能子系统的缓冲，反馈至电网的电能质量可以更加稳定和可靠。

第三、提高市电故障情况下的应急能力，并且实现即便是在应急供电情况下，电梯能量的回收仍然可以进行。

第四、有利于延长储能子系统的寿命。储能子系统在使用过程中，可以通过双向DC/AC用市电来对储能子系统进行均衡和维护，以保持储能子系统始终工作在最佳效率状态。

以上所述仅是本发明的优选的实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和修饰，这些改进和修饰也应该视为本发明的保护范围。

Claims

1.电梯能量回收利用保障系统，其特征在于：由电梯能量回馈子系统、储能子系统、管理子系统三部分组成；

所述管理子系统包括市电监测模块、BMS监测模块、阶梯电价数据库、工作模式决策模块，市电监测模块、BMS监测模块和阶梯电价数据库均与工作模式决策模块双向电连接，BMS监测模块与储能子系统双向电连接，市电监测模块与交流配电柜双向电连接；管理子系统实施对整个电梯能量回收系统的管理控制，指挥系统工作在不同的工作模式下，实现能量回收存储、应急供电、储能子系统管理、存储能量释放功能；

所述市电监测模块，主要监测市电的电压、电流、功率、功率因素电能质量相关信息；BMS监测模块，主要监测储能子系统的电压、电流、温度、充电状态、健康状态信息；阶梯电价数据库，存储当前的阶梯电价数据。

2.根据权利要求1所述的电梯能量回收利用保障系统，其特征在于：所述工作模式决策模块所决定的工作模式有：回收能量模式、释放能量模式、应急供电模式和紧急制动模式。

3.根据权利要求1或2所述的电梯能量回收利用保障系统，其特征在于：所述储能子系统的容量大于2倍电梯应急所需能量、小于10倍电梯应急所需能量；所述储能子系统的功率大于2倍电梯最大制动功率、小于5倍电梯最大制动功率。

4.根据权利要求1或2所述的电梯能量回收利用保障系统，其特征在于：当市电处于低价时段，储能子系统的充电状态处于高位状态运行，即充电状态控制在70%~90%；当市电处于高价时段，储能子系统的充电状态处于低位状态运行，即充电状态控制在20%~30%，此时最低状态下储能子系统带电量大于1.5倍电梯应急所需能量；储能子系统将回收的能量通过双向DC/AC释放电能到市电电网侧，储能子系统放电功率不小于双向DC/AC额定功率的50%。

5.根据权利要求2所述的电梯能量回收利用保障系统，其特征在于：所述回收能量模式下必须满足的条件有：（1）电梯工作制动馈能，即正常工作电压≤直流母线电压≤制动电阻工作电压，即满足单向DC/DC工作启动条件，又未达到制动电阻启动条件；（2）储能子系统正常即无过压、欠压、过温、低温、过流、绝缘故障、通讯超时现象；此工作模式下开关状态是：开关K3断开，开关K1、开关K2、开关K4、开关K5闭合，开关K0闭合或断开；单向DC/DC工作，双向DC/AC待机；

所述释放能量模式下必须满足的条件有：所述释放能量模式下必须满足的条件有：（1）储能子系统正常即无过压、欠压、过温、低温、过流、绝缘故障、通讯超时现象；（2）市电价格为高峰或平谷时段价格，或电梯处于启动或加速瞬间；此模式下开关状态是：开关K3断开，开关K1、开关K2、开关K4、开关K5闭合，开关K0闭合或断开；单向DC/DC工作或待机；双向DC/AC工作；

所述应急供电模式下必须满足的条件有：所述应急供电模式下必须满足的条件有：（1）市电不正常；（2）储能子系统正常即无过压、欠压、过温、低温、过流、绝缘故障、通讯超时现象；此模式下开关状态是：开关K3、开关K0断开，开关K1、开关K2、开关K4闭合；单向DC/DC工作或待机；双向DC/AC工作；

所述紧急制动模式下必须满足的条件是，当电梯工作馈能异常，即直流母线电压≥制动电阻工作电压，即满足制动电阻工作启动条件，制动电阻启动，将制动电能以热形式耗散，保障电梯的正常安全运行；此模式下的开关状态是：开关K3闭合，开关K0、开关K1、开关K2、开关K4闭合或断开。