CN110797890A - 垂直提升装置的储能回收系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种垂直提升装置的储能回收系统，包括供电网，所述供电网与垂直提升装置连接，所述垂直提升装置通过逆变器一与直流总线连接，所述直流总线通过逆变器与储能系统连接，所述储能系统包括储能装置，所述储能装置通过总线连接控制单元，所述控制单元通过总线连接所述垂直提升装置。本发明的储能回收系统通过将飞轮作为储能装置，从而实现了双向转换，且寿命长、能快速响应；接合功率较低，由于中断能量的回收而提高了效率以及在停电期间完成的能量连续性；允许回收通常损失在热量中的碎片能量，可以将来自电网的电能降低到平均值，有助于提高整个系统的效率。

Description

垂直提升装置的储能回收系统
技术领域
本发明涉及能量回收技术领域，具体来说，涉及一种垂直提升装置的储能回收系统。
背景技术
垂直提升装置，从能量的观点来看，是一个电气到机械的能量转换器，反之亦然。转变发生在加速、行驶、减速和制动的中间阶段。所有这些步骤都涉及：
由于参与运动的各方自我消耗而产生的热量形式的能量损失。提高每个组件的性能可以减少从电网中吸收的能量，这种能量贡献仅是耗散的，并且不允许任何能量恢复，而仅仅是由于功能优化而减少；
运动所需的电能到动能的转移，这种能量是保守型的，是可再生的，该值在加速阶段增加，在行驶过程中恒定，在减速过程中下降到零当它停止时；
电能到势能的转移，这种能量也是保守型的，因此是可再生的，当重量上升时，势能被转移到垂直提升装置，在最高楼层达到最大值，而当它下降时，势能被转移出垂直提升装置，当重量处于最低水平时达到最小值。
来自电网的电力强烈间歇，幅值高，持续时间短。垂直提升装置所需的平均功率要低得多。
从电网一侧看，垂直提升装置是一种脉冲负载。所使用的大部分能量在制动和/或减速阶段丢失。有不同的方法来回收消耗的能量，但只有一种方法在成本和效率方面是真正方便的：储存和回收能量，因此需要提供一种储能回收系统。
发明内容
针对相关技术中的上述技术问题，本发明提出一种垂直提升装置的储能回收系统，能够克服现有技术的上述不足。
为实现上述技术目的，本发明的技术方案是这样实现的：
一种垂直提升装置的储能回收系统，包括供电网，所述供电网与垂直提升装置连接，所述垂直提升装置通过逆变器一与直流总线连接，所述直流总线通过逆变器与储能系统连接，所述储能系统包括储能装置，所述储能装置通过总线连接控制单元，所述控制单元通过总线连接所述垂直提升装置。
进一步地，所述储能装置为飞轮。
进一步地，所述飞轮为采用磁悬浮轴承的磁悬浮飞轮。
进一步地，所述垂直提升装置包括轿厢，所述轿厢通过钢索与配重块连接，所述钢索绕过主轴。
进一步地，所述供电网设有通用升压接口。
本发明的有益效果：通过将飞轮作为储能装置，从而实现了双向转换，且寿命长、能快速响应；接合功率较低，由于中断能量的回收而提高了效率以及在停电期间完成的能量连续性；允许回收通常损失在热量中的碎片能量，可以将来自电网的电能降低到平均值，有助于提高整个系统的效率。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是根据本发明实施例所述垂直提升装置的储能回收系统的结构框图；
图2是根据本发明实施例所述的垂直提升装置的示意图；
图3是根据本发明实施例所述垂直提升装置的储能回收系统的效率模块化示意图；
图4是根据本发明实施例所述垂直提升装置的储能回收系统的功率比示意图；
图5是根据本发明实施例所述垂直提升装置的储能回收系统的功率和能量交换示意图；
图6是根据本发明实施例所述储能回收系统能量回收阶段的能量流示意图；
图7是根据本发明实施例所述储能回收系统提升放电阶段的能量流示意图；
图8是根据本发明实施例所述储能回收系统再回收阶段的能量流示意图；
图9是根据本发明实施例所述储能回收系统回收或吸收阶段的能量流示意图；
图10是根据本发明实施例所述储能回收系统再回收阶段的能量流示意图；
图11是根据本发明实施例所述储能回收系统功率降低和能量回收的示意图；
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1-11所示，根据本发明实施例所述的垂直提升装置的储能回收系统，包括供电网，所述供电网与垂直提升装置连接，所述垂直提升装置通过逆变器一与直流总线连接，所述直流总线通过逆变器与储能系统连接，所述储能系统包括储能装置，所述储能装置通过总线连接控制单元，所述控制单元通过总线连接所述垂直提升装置。所述储能装置为采用磁悬浮轴承的磁悬浮飞轮。所述垂直提升装置包括轿厢，所述轿厢通过钢索与配重块连接，所述钢索绕过主轴。所述供电网设有通用升压接口。
为了方便理解本发明的上述技术方案，下面对本发明的上述技术方案进行详细说明。
参照图2，m1是轿厢的质量，m2是配重块的质量，W1和W2是相应的重力，R是钢索的拉力，F是应用于移动的牵引摩擦力，轿厢水平上的力平衡如下：
在轿厢上的力：
W1-R+F＝m1a (1)
在配重块上的力：
-W2+R+F＝m2a (2)
这将生成运动方程式：
Figure BDA0002251804810000041
其中a是轿厢的加速度，v是速度。上面的方程式表明，加速度或速度变化，取决于轿厢和配重之间的重量差。它还表明，a取决于运动中涉及的质量的总和。
从能量的角度来看，我们可以得出：
Figure BDA0002251804810000042
其中h1和h2是轿厢的启动和停止高度。
对于上述方程，在能量平衡中，所有使运动成为可能所需的功率，即运动本身所涉及的每个部件的摩擦和内部损失都应该相加。通过优化每个组件的设计，提高个体和整体性能，可以减少这些数量中的每一个。
然而，将导致的改善不可能涉及可回收能源的形式。事实上，可回收的能量只具有保守性。
下面对每个能量方程进行分析：
a)功率
稳态功率，取决于轿厢与配重和速度之间的重量差，是为势能充电所需的功率。这是证明配重存在的唯一理由，也解释了为什么没有配重的电梯需要更多的动力用于自身的运动；
动态功率取决于轿厢的质量、配重和速度之和，是为动能充电所需的功率。因此，带配重的升降机加减速需要更多的能量。
b)动能
动能是一种守恒的能量，因此是可恢复的。带有配重的电梯需要更多的能量用于加速，如果不能恢复，部分能量将转化为势能，部分通常在减速阶段耗散为热。动能假设的值与高速电梯相关。对于没有配重的电梯，这种能量贡献要小得多(不到一半)。
c)势能
势能是一种守恒的能量，因此是可以恢复的。如果没有配重，举起负载所需的能量就会更高。如果能量不能回收，势能通常在破碎阶段耗散成热。
能量回收的重要性可以通过比较不同的设备配置和系统运行中涉及的能量来体现。表1显示了不同设备(电动和液压升降机)之间的比较，即有和没有配重，显示了可回收能量的量。从表1可以清楚地看出，可回收能量如何与高速垂直提升装置和每次运行的多个站点更相关，而且似乎没有配重的设备也不方便回收能量。没有配重的电梯还有其他优点，这使得回收系统比具有配重的电梯更有挖掘潜力。
表1 不同设备回收能量的比较
Figure BDA0002251804810000051
表1清楚地显示了可以回收的能量是非常显著的。如果不能回收，所有的能量都会流失到热量中，这也需要其他能源消耗来冷却。
利用回收的能量可以回馈到供电网或存储起来。
为了将能量回馈到供电网中，需要一个可逆逆变器。市场上有不同的产品可以做到这一点。这种逆变器的成本几乎是标准逆变器的两倍。回馈的能量是冲动的，对电网供应商来说并不方便，在大多数国家不会接受回馈这种冲动的能量，即使接收也不会付费。此外，运行所需的电力不能降低到平均值，并且在一些国家，电费的成本强烈依赖于电费。
回收能量的最好方法是将其存储到储能装置中，以便为将来的垂直提升装置安全运转提供能量。
适用于垂直提升装置应用的储能不需要是能源密集型的，但应该是功率密集型的。这意味着不需要存储非常高的能量，而是需要有足够的能量来提供很少的曳引能量，并且能够在短时间内在两个方向上传输高功率。存储系统必须具有以下主要特征：
高效率：从存储中回收尽可能多的能量。必须将能量损失最小化，否则恢复的便利性就消失了；
存储和再生必须快速：计时应与垂直提升装置运行速度配置兼容；
使用寿命长：预期时间应高于20年；
占用空间体积要做到最小，储能系统，包括控制单元，应在几年内从节能中收回；
维护成本低；
可逆的：能量应该能够在两个方向上流动。
表2显示了不同类型的储能之间的比较。所考虑的电池是标准铅酸型。市场上有很多更好的电池，它们有更高的效率，但也有更高的成本，而且无论如何都不适合垂直提升装置的脉冲功率，而且可逆性也不是很好。其他考虑的蓄电池是：燃料电池，电解电容器，超级电容器，超导体和飞轮。关于飞轮，这里考虑的是磁悬浮轴承的中速类型。
表2 各种储能装置的比较
名称 单位 电池 燃料电池 电容 超级电容 液流电池 飞轮
效率 ％ 50-60 40-55 95 90 95 95
可逆性 不可以 不可以 一般 一般 一般 优秀
维护成本 非常高 低 低 中 非常低
循环次数 2000 >10^3 >10^3 >10^3 >10^6
生命周期 年 3-5 7-8 >10
表2中显示，飞轮是最好的解决方案，除了保持电荷的时间，这是几个小时。这意味着飞轮需要由供电网提供。被测飞轮的平均功耗约为250kW，飞轮的寿命超过20年，轴承可能在运行7至10年后更换，维护成本非常低。最好的选择是飞轮。
本发明的解决方案具有以下特征:
电度：3kwh
标称功率：250kW
标称速度：10500rpm
效率：>96％
如图1所示，垂直提升装置的电机通过逆变器一(INVM)供电，可以与直流母线交换能量。同样，飞轮蓄能装置(ACC)也通过逆变器二(REGA)馈电，与直流总线交换能量。在飞轮中存储的能量范围内的能量交换可以在没有来自供电网的能量请求的情况下进行。然而，运行整个系统所需的平均能量需要从供电网中获取，这将为直流总线供电。如果需要到供电网的通用电源接口，则必须将直流总线的电压设置为大于供电网最大电压的值。然后，有必要向供电网提供具有将直流母线电压稳定到期望值的升压接口。还可能要求接口控制单位功率因数(PFC)。最终垂直提升装置的储能回收系统的配置如图1所示。
同时控制多台垂直提升装置，每台垂直提升装置使用其自己的变频器，必须连接到直流总线链路。
定义了负载从下层传输到上层的阶段，Ps是所需的功率，Ep是q时间后所需的能量，而向下当负载从上层传输到楼下时，Pd是产生的电力，E是最终的能量，而Pc是从电网吸收的功率，交换能量可以如图5所示。
在上升阶段，垂直提升装置吸收来自供电网和飞轮储存的能量，而在下降阶段，电梯向飞轮提供能量，飞轮也可以从供电网吸收能量进行充电。图6-10显示了各个操作阶段的能量流动。如图11所示，供电网所吸收的功率远远小于牵引垂直提升装置所需的功率，并且不再是强烈的脉冲。此外，图11中还显示了在几个运行周期后可以实现的节能。
从效率的角度来看，所述垂直提升装置的储能回收系统可以如图3所示进行模块化。它被划分为三个功能块。PFC块的整体性能用p表示，供电网吸收的功率用pc表。Rega表示能量存储系统的变频器，并由v表示整体性能，并且交换功率由pv表示。块INVM表示提升装置的变频器，整体性能用e表示。升降机械功率用pe表示。
这里有三个阶段的能量流，向上，再充电和向下。在上升阶段，供电网提供功率Pc，飞轮提供功率PVS，垂直提升装置接收功率Pe。当垂直提升装置停止并且飞轮通过PFC电源(Pc)仅来自电网的电源PVC充电时，遵循充电或再充电阶段。在充电阶段，可能会发生由于升降减速而导致的电力再生。如果发生这种情况，则在此阶段期间用来自垂直提升装置Pe的再生功率和由电网Pc吸收的功率Pc的功率PVr对飞轮进行再充电。
对于上面描述的各个阶段，可以写出以下方程：
提升：Pe＝Pcηpηe+Pvsηvηe (7)
充电：Pvc＝Pcηpηv (8)
下降：Pvr＝Pcηpηv+Peηeηvχi (9)
其中Xi是再生系数，非再生设备的再生系数为零，再生设备的再生系数为1。假设来自电网Pc的功率吸收在所有三个阶段中是相同的。
对于能量来说，假设一个周期中向上和向下等于tc，每次运转之间的停止时间为ta，公式为：
Figure BDA0002251804810000081
Ee＝Petc (11)
Ev＝Pvstc-2Pvcta-Pvrtc＝0 (12)
Figure BDA0002251804810000082
总效率：
Figure BDA0002251804810000083
因此，替换之前的方程式，经过几个步骤后，我们得到：
ηp：是PFC模块的效率，其值在0.93到0.95之间。
ηv：是存储系统的性能。这是由于逆变器的效率ηvi在0.93到0.97的数量级，飞轮储能的效率ηst在0.87到0.95的数量级。
ηe：由提升装置逆变器EI(SEM内部，范围0.93到0.97)和升降机本身EC组成。通过逆变器为升降机电机供电，如果控制得当，可以提高效率。所说的hm(值>1)由于逆变器的最佳性能的贡献，可以写成：
ηe＝ηeikmηec
Pc＝Pe/ηec
χi：再生系数，该值是0.5-1的数量级，取决于可逆性。
对于非再生的，该值为：
Pd＝Peηecχi
Pc：是从供电网中吸收的功率，可以限制为所需的值(可编程设定值)。
Pe：是考虑到所有移动重量的升降机的机械功率(轿厢、配重块、绳索、滑轮等)。
在没有SEM的情况下，总效率由以下公式给出：
ηt＝ηecσsem (16)
其中SEM是由于SEM的存在而产生的效率贡献：
Figure BDA0002251804810000091
SEM只有在sem>1时才能提高整体效率，sem>1的意义并不明显。这并不意味着SEM的效率高于1，但在设备厂中，将回收的能量归因于SEM，它的存在使得效率贡献高于1。这对于再生(I-再生型)设备来说是很容易达到的，就像旧的水力设备一样，使用SEM的优势主要是由于使用功率的大幅减少，这在一些国家大大降低了电力成本。此外，考虑到电梯通常会产生约50％的空行，其中电机的效率可以通过变频器来提高，通过参数Km可以获得很大的优势(也可以使用高效电机来提高Km，并降低阀块上的压力降)。
已经证明，回收的能量可以是显著的，并且对于高速安装，能源消耗的大幅降低是可能的。研究还表明，电网所吸收的瞬时功率可以大幅度降低到循环平均值。随着来自电网和5d0的强烈间歇性吸收的减少，与高装机容量相关的电力成本大幅降低，特别是在那些电力成本也取决于电价的国家。具体地，参考图4(其中，Pc/Pn：功率比；nc/h：每小时曳引次数)，考虑到具有50％的升降机总体效率(通常是液压)的设备，对于具有和不具有再生的系统，可以相对于电梯标称功率安装的功率是图中所示的比率，作为每小时行进次数和比赛时间的函数。
所实现的蓄能系统称为SEM(Storage Energy Management)，由一个高效的飞轮蓄能器组成。此解决方案提供了优异的性价比。
SEM接受来自电网的任何电压和频率，无论是单相电源还是三相电源，都可以为垂直提升装置提供三相电源。PFC的存在允许保持功率因数始终为单一。因此，它适合于轻松安装在任何现场上，无论是新的还是现有的，电动和液压类型，而不需要对面板控制或工厂或电动马达进行任何更改。安装人员不需要特别的知识，任何技术人员都可以快速轻松地安装它。多亏了累积的能量，在能量停电的情况下，SEM提供了操作的连续性，而没有任何速度变化。内部逆变器允许有一个舒适的曳引力和精确的停站。
将SEM与电动型垂直提升装置结合使用的优点是，它可以降低能耗，特别是对于中高速垂直提升装置，可以降低所需的功率，并在停电的情况下保证运行的连续性。对于液压垂直提升装置来说，最大的优点是将功率降低到平均值，使功率速率可以与电动垂直提升装置相媲美。它使液压垂直采提升装置像有配重(电动配重)一样工作。此外，如果垂直提升装置的动力单元是由再生储能系统提供的，则下降的能量可以在向上运行期间被存储和重复利用。能量可以很容易地再生，使油可以通过泵回流，而不是直接进入油箱。通过这种方式，旋转将被回收，泵的电动机将起到发电机的作用，并对存储器进行充电。如果使用外部高效电机，PM无刷电机，而不是低效率的感应电机，那么回收的能量会非常显著。在任何情况下，使用SEM，因为液压垂直提升装置可以大大缩小与电动垂直提升装置在功率和消耗方面的差距，使两种技术之间的权衡具有可比性。这允许例如将液压垂直提升装置的额定功率从15kW甚至25kW降低到3kW单相，这与没有SEM的电动垂直提升装置相当，甚至更好。
将SEM与两种垂直提升装置拓扑一起使用的优势不仅体现在能源和/或功率方面，而且主要体现在经济性方面。节能可以将电费减半，使SEM投资可以在很短的时间内收回。
综上所述，借助于本发明的上述技术方案，通过将飞轮作为储能装置，从而实现了双向转换，且寿命长、能快速响应；接合功率较低，由于中断能量的回收而提高了效率以及在停电期间完成的能量连续性；允许回收通常损失在热量中的碎片能量，可以将来自电网的电能降低到平均值，有助于提高整个系统的效率。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种垂直提升装置的储能回收系统，包括供电网，所述供电网与垂直提升装置连接，其特征在于，所述垂直提升装置通过逆变器一与直流总线连接，所述直流总线通过逆变器与储能系统连接，所述储能系统包括储能装置，所述储能装置通过总线与控制单元连接，所述控制单元通过总线与所述垂直提升装置连接。
2.根据权利要求1所述的垂直提升装置的储能回收系统，其特征在于，所述储能装置为飞轮。
3.根据权利要求2所述的垂直提升装置的储能回收系统，其特征在于，所述飞轮为采用磁悬浮轴承的磁悬浮飞轮。
4.根据权利要求1所述的垂直提升装置的储能回收系统，其特征在于，所述垂直提升装置包括轿厢，所述轿厢通过钢索与配重块连接，所述钢索绕过主轴。
5.根据权利要求1所述的垂直提升装置的储能回收系统，其特征在于，所述供电网设有通用升压接口。
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