專利名稱：一種電梯用混合儲能裝置及其控制方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種混合儲能裝置及其控制方法，特別涉及電梯用的混合儲能裝置及其控制方法。
背景技術：
在電梯的驅動系統(tǒng)中，一般將電網電能進行直接整流，并匯流到直流母線，形成一個直流供電系統(tǒng)，再經過變頻器進行逆變，產生變壓變頻的三相交流電驅動電機。由于電機在啟動或加速時會從直流母線中吸收較大的功率，導致直流母線的端電壓降低；而在停機或減速時又會因為電機處于發(fā)電狀態(tài)而向直流母線回饋電能，導致母線電壓升高。直流母線電壓波動過大，會影響系統(tǒng)中變頻器及電梯輔助設備的工作性能。為了防止直流母線電壓過高，一般要配置能量泄放回路，但會造成一定的能量損失，降低了系統(tǒng)的經濟性。
此外，當電網停電或發(fā)生瞬時電壓中斷或跌落時，如果沒有備用能量支撐，電梯將無法正常運行，給人員、貨物和裝置帶來不便甚至危險。配置儲能裝置，如，可充電蓄電池、超級電容器、飛輪儲能裝置等，在電網停電、電壓中斷跌落時可以為直流母線提供一定時間的能量支撐，以保證人員和貨物到達安全的位置。此外，儲能裝置還可以起到功率緩沖的作用。當負載功率增大時，儲能裝置輸出電能，與電網一起提供所需的功率，以降低電網的功率需求；當負載產生功率回饋時，儲能裝置吸收一部分功率，避免母線電壓過高，也可以節(jié)省泄放回路或者減小其安裝容量。
可充電蓄電池是一種應用非常普遍的儲能裝置，如鉛酸蓄電池、鎘鎳蓄電池、鎳氫蓄電池等。將其應用于電梯的供電系統(tǒng)，直接與直流母線相連，或者通過充放電裝置與直流母線相連，作為系統(tǒng)的應急電源，或者功率緩沖器。美國專利US6457565B2公開了一種電梯用應急電源。電網經過整流濾波后與直流母線匯接，采用可充電蓄電池作為儲能裝置，并通過可充電/放電的雙向功率變換器與直流母線連接，當負荷較輕時，直流母線通過功率變換器給蓄電池充電。當由于電機電能回饋而導致母線電壓升高時，直流母線通過功率變換器給蓄電池充電，并在負荷較重時釋放出來以起到功率緩沖的作用。當電網停電，或者電壓中斷、跌落時，蓄電池通過功率變換器釋放能量，以維持直流母線電壓在正常的范圍內，保證系統(tǒng)的正常工作。
將可充電蓄電池應用于電梯的供電系統(tǒng)，存在一定的不足之處。首先，蓄電池在工作過程中電極活性物質會發(fā)生化學變化，引起電極結構的膨脹和收縮，導致蓄電池性能衰減。在電梯的供電系統(tǒng)中，由于蓄電池要不斷地吸收能量和釋放能量，在電網供電不可靠的地區(qū)為保證不間斷供電還要經常進行深度充放電，導致蓄電池使用壽命的縮短，需要經常更換，增加了系統(tǒng)的成本。其次，蓄電池放電后的容量恢復時間較長，電網停電恢復后，由于蓄電池的放電深度較大，一般需要經過很長的時間才能使容量恢復到一定的水平，導致電梯在停電后要經過很長的恢復時間才能再次安全運行。第三，蓄電池的功率密度較小，而電梯的功率較大，為了保證系統(tǒng)在電網停電時的正常運行，蓄電池需要輸出很大的功率。因此，在實際設計中，要配置容量很大的蓄電池組，提高了系統(tǒng)的成本，降低了經濟性。此外，蓄電池的充放電效率較低，需要經常維護，而且使用后的金屬材料不易處理，會造成環(huán)境污染。
超級電容器是近年來出現(xiàn)的一種新型儲能器件，目前一般認為超級電容器包括雙電層電容器(Electric Double Layer Capacitor)和電化學電容器(Electrochemical Capacitor)兩大類。其中，雙電層電容器采用高比表面積活性炭，并基于碳電極與電解液界面上的電荷分離而產生雙電層電容而工作的。電化學電容器采用RuO2等貴金屬氧化物作電極，在氧化物電極表面及體相發(fā)生氧化還原反應而產生吸附電容，又稱為法拉第準電容，根據(jù)電極材料的不同可分為金屬氧化物和導電性高分子聚合物兩類電化學電容器。由于法拉第準電容的產生機理與電池相似，在相同電極面積的情況下，它的電容量是雙電層電容的幾倍；但雙電層電容器瞬間大電流放電的功率特性比法拉第電容器好。
超級電容器具有很好的功率特性，可以大電流、高效率、快速地充放電。由于充放電過程始終是物理過程，不發(fā)生電化學反應和電極結構的變化，因此其循環(huán)使用壽命長。此外，超級電容器還具有高低溫性能良好、能量判斷簡單準確、無需維護和環(huán)境友好等諸多優(yōu)點，正日益發(fā)展成為一種高效、實用的能量儲存器件。
美國專利US6938733B2公開了一種電梯應急電源裝置，超級電容器組通過一種功率調節(jié)設備與直流母線連接。當電網停電、電壓跌落或中斷時，超級電容器組通過功率調節(jié)設備向直流母線供電，以維持電機及電梯輔助設備的正常工作直至到達下一個樓層。超級電容器組通過功率調節(jié)設備，還可以不斷地吸收或者釋放能量，起到功率緩沖器的作用，以保證直流母線電壓穩(wěn)定而且處于正常的范圍內。
盡管超級電容器具有很多優(yōu)點，但其能量密度與可充電蓄電池相比較低，目前超級電容器的能量密度大約是閥控式鉛酸蓄電池的20％，還不適宜于大容量的電力儲能。由于電梯的功率較大，持續(xù)時間較長，如果采用超級電容器作為應急電源，需要配置很大容量的超級電容器組，才能輸出所需的能量，這樣會使設備過于龐大笨重。而且，目前超級電容器的價格較高，如此大容量的配置大幅度地提高了系統(tǒng)的成本，降低了經濟性。
如果將超級電容器與可充電蓄電池混合使用，使蓄電池能量密度大與超級電容器功率密度大、循環(huán)壽命長等特點相結合，無疑會給電力儲能裝置帶來很大的性能提高。超級電容器蓄電池混合儲能裝置具有較好的儲能能力和功率輸入輸出能力，能夠縮小儲能裝置的體積，改善可靠性。蓄電池通過一定的方式與超級電容器并聯(lián)工作，可以優(yōu)化蓄電池的充放電過程，減少充放電循環(huán)次數(shù)，降低內部損耗，增加放電時間，延長使用壽命。采用超級電容器蓄電池儲能裝置，可以大幅度地提高系統(tǒng)的技術性能和經濟性能，是解決目前電力儲能問題的一個很好的選擇。在美國專利US6938733B2公開的電梯應急電源裝置中，為了延長應急電源的放電時間，該專利提出了采用可充電蓄電池和超級電容器組合的設計方法，但沒有給出兩種儲能裝置的具體組合方案和能量管理方法。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的在于提供一種電梯用混合儲能裝置及其控制方法，為其在電網停電或者發(fā)生電壓跌落、中斷時提供應急電源；并可以為因電機工況改變而導致的母線電壓波動提供功率緩沖，維持母線電壓穩(wěn)定，以節(jié)省泄放回路或者減小其安裝容量。
本發(fā)明的混合儲能裝置由超級電容器組、蓄電池組、超級電容器充放電電路、蓄電池充放電電路、超級電容器充放電控制電路，以及蓄電池充放電控制電路組成。超級電容器組通過超級電容器充放電電路與直流母線連接，蓄電池組通過蓄電池充放電電路與直流母線連接，超級電容器充放電控制電路控制超級電容器充放電電路的工作，蓄電池充放電控制電路控制蓄電池充放電電路的工作。
超級電容器可以采用雙電層電容器，也可以采用電化學電容器。單體超級電容器先串聯(lián)組成串聯(lián)支路，再將兩個或者兩個以上的串聯(lián)支路并聯(lián)，組合成超級電容器組，具體的串并聯(lián)組合方案要視系統(tǒng)的實際情況而定。為了提高超級電容器組的容量利用率，并將單體電壓限定在最高工作電壓以下，超級電容器組可以采用串聯(lián)均壓器，還可以采用串并聯(lián)轉換電路。蓄電池組也是先由多個單體電池串聯(lián)起來組成串聯(lián)支路，再將兩個或兩個以上的串聯(lián)支路并聯(lián)組成蓄電池組，具體的串并聯(lián)組合方案要視系統(tǒng)的實際情況而定。
超級電容器充放電電路和蓄電池充放電電路一般采用非隔離型DC/DC功率變換器，由于在實際工作過程中能量雙向流動，因此要設計為雙向DC/DC。本發(fā)明采用的雙向DC/DC實際上是由一個降壓型BUCK電路和一個升壓型BOOST電路組合而成。兩個電路共用一個電感器，每一個電路均有一對功率開關和功率二極管，當一個電路工作時，另一個電路的一對功率開關和功率二極管始終不工作，反之亦然。兩個電路在不同的時間段交替工作，就形成了雙向DC/DC。
超級電容器充放電控制電路和蓄電池充放電控制電路主要包括信號采樣單元、A/D轉換單元、用戶指令單元、計算控制單元(CPU)、隔離驅動單元等，具體的控制管理過程則由軟件實現(xiàn)。
信號采樣單元檢測系統(tǒng)的狀態(tài)參數(shù)，包括蓄電池的電壓、溫度、電解液密度、充放電電流等；超級電容器的電壓、充放電電流等；直流母線的電壓及其變化過程；電梯的位置、載重量、速度、加速度等；以及電網電壓、電壓中斷或跌落程度等。系統(tǒng)通過信號采樣單元采樣這些參數(shù)，產生相應的電壓信號，送給A/D轉換單元，A/D轉換單元將轉換的數(shù)字信號送給計算控制單元，作為系統(tǒng)控制的入口參數(shù)。
用戶指令單元接受用戶指令，包括電梯的升降、目的樓層等，并將這些指令送給計算控制單元，作為系統(tǒng)控制的入口參數(shù)。
本發(fā)明的混合儲能裝置及其控制方法，在實現(xiàn)系統(tǒng)功能的前提下，力爭高效、節(jié)能，并能降低儲能裝置的安裝容量，延長蓄電池的使用壽命，提高經濟性。其控制思想的基本原則包括以下幾點。
第一，充分發(fā)揮蓄電池充放電電路、超級電容器充放電電路的變流控制作用，合理配置蓄電池組和超級電容器組的容量，實現(xiàn)以較小的容量滿足較大的功率需求和能量需求，降低儲能裝置的安裝成本。
第二，使直流母線與混合儲能裝置之間的能量交換，盡可能多地發(fā)生在超級電容器上，而盡可能少地發(fā)生在蓄電池上，以充分發(fā)揮超級電容器功率密度大、循環(huán)壽命長、充放電效率高和速度快的優(yōu)點。
第三，控制蓄電池充放電電路，優(yōu)化蓄電池的充放電過程，減少充放電循環(huán)及小循環(huán)次數(shù)，或者減小放電深度，以延長使用壽命。
第四，根據(jù)電網狀態(tài)、儲能裝置的荷電狀態(tài)、電梯狀態(tài)等系統(tǒng)信息，以及用戶指令，預先判斷出混合儲能裝置需要輸出或輸入的功率和能量，及時準確地控制超級電容器組和蓄電池組的工作過程，提高儲能裝置的快速響應能力。
本發(fā)明的工作過程是，在電梯開始運行前，按照一定的方式給超級電容器組和蓄電池組充電，使其處于一定的荷電狀態(tài)。采用較大的電流給超級電容器組充電，以優(yōu)化的充電方式給蓄電池組充電，如恒流充電或脈沖充電等。
電梯在啟動、加速過程中通過變頻器從直流母線中吸取較大的功率，導致母線電壓下降，當電網電壓發(fā)生短時中斷、跌落時，也會導致母線電壓下降。當母線電壓低于一定的設定值時，超級電容器組通過充放電電路向直流母線供電，輸出功率的大小要視母線功率的變化率而定，以使母線電壓維持在一定范圍之內。一般情況下，只通過超級電容器組就可以滿足系統(tǒng)的峰值功率需求，但當超級電容器組因放電而導致端電壓低于一定設定值時，或者根據(jù)系統(tǒng)狀態(tài)和用戶指令判斷出蓄電池組需要釋放一定的功率和能量時，蓄電池組通過蓄電池充放電電路恒流放電，與超級電容器組一起向直流母線供電。
當電機發(fā)生能量回饋時，直流母線的電壓將會升高。當高于一定的設定值時，直流母線通過超級電容器充放電電路給超級電容器組充電，充電功率要視母線的功率變化率而定。一般情況下，只給超級電容器組充電就可以達到吸收峰值功率的目的，但當超級電容器組的端電壓高于一定的設定值，或者根據(jù)系統(tǒng)狀態(tài)和用戶指令判斷出蓄電池組需要吸收一定的功率和能量時，直流母線通過蓄電池充放電電路給蓄電池組充電，一般采用較為優(yōu)化的恒流充電方式。
當電網停電時，混合儲能裝置需要給直流母線提供一定的功率和能量，以保證備用發(fā)電系統(tǒng)能夠可靠啟動并輸出電能，或者保證用電設備能夠安全停機，或者連續(xù)運行直至電網恢復正常供電。在應急供電過程中，控制蓄電池充放電電路，使蓄電池組以恒流方式放電，輸出的功率等于電梯的平均功率；控制超級電容器充放電電路，使超級電容器組提供電梯在工作過程中的峰值功率。
在高層觀光塔或礦井中，電梯或礦井提升機因為?？奎c很少而運行距離很長，輔助電源需要支持較長的時間，直至電梯到達停靠點并開門。還有一些特殊應用場合，需要電梯能夠在停電后繼續(xù)運行數(shù)小時。采用混合儲能裝置，可以充分利用蓄電池能量密度大的優(yōu)點，控制蓄電池充放電電路，使蓄電池組以優(yōu)化的恒流方式放電。
當電網恢復正常時，為了保證安全工作(有可能出現(xiàn)兩次停電時間間隔較短的情況)，電梯不能立即工作，而需要按照一定的方式給混合儲能裝置充電。采用較大的電流給超級電容器組充電，以優(yōu)化的充電方法給蓄電池組充電。當蓄電池組和超級電容器組的荷電狀態(tài)達到設定值時，電梯才可以重新工作。
本發(fā)明采用超級電容器蓄電池混合儲能，并配備有效的控制方法，具有以下優(yōu)點
(1)采用超級電容器蓄電池混合儲能，能夠充分發(fā)揮蓄電池能量密度大和超級電容器功率密度大、循環(huán)壽命長、充放電速度快和儲能效率高的優(yōu)點，使儲能裝置具有良好的技術性能。
(2)由于蓄電池充放電電路及其控制電路，可以優(yōu)化蓄電池的充放電過程，減少充放電小循環(huán)次數(shù)，或者降低發(fā)生小循環(huán)時的放電深度，延長使用壽命。
(3)由于超級電容器充放電電路及其控制能力，超級電容器組的端電壓與直流母線電壓可以有很大的不同，在滿足同樣功率需求的前提下，超級電容器的能量利用率大為提高，減少了安裝容量，降低了系統(tǒng)成本。
(4)由于蓄電池充放電電路和超級電容器充放電電路的變流作用，蓄電池組的端電壓、超級電容器組的端電壓、以及直流母線的端電壓之間可以有很大的不同，使超級電容器組和蓄電池組的結構配置更為靈活。
(5)當電機發(fā)生能量回饋時，通過超級電容器充放電電路的控制作用，可以有效地吸收直流母線上的瞬間大功率，不需要采用泄放回路，或者可以大幅度減小泄放回路的安裝容量，降低了功耗，節(jié)約成本。
(6)蓄電池組只通過一級DC/DC功率變換器與直流母線進行能量交換，減少了能量損耗，提高了儲能效率。
本發(fā)明將超級電容器與可充電蓄電池混合使用，使蓄電池能量密度大與超級電容器功率密度大、循環(huán)壽命長等特點相結合，提高了電力儲能裝置的性能。超級電容器蓄電池混合儲能裝置具有較好的儲能能力和功率輸入輸出能力，能夠縮小儲能裝置的體積，改善可靠性。蓄電池通過一定的方式與超級電容器并聯(lián)工作，可以優(yōu)化蓄電池的充放電過程，減少充放電循環(huán)次數(shù)，降低內部損耗，增加放電時間，延長使用壽命。采用超級電容器蓄電池儲能裝置，可以大幅度地提高系統(tǒng)的技術性能和經濟性能，是解決目前電力儲能問題的一個很好的選擇，將其用于電梯，具有很明顯的優(yōu)勢。


圖1是本發(fā)明混合儲能裝置應用于電梯供電系統(tǒng)的工作原理方框圖；圖2是本發(fā)明超級電容器充放電電路的雙向DC/DC變換器原理圖；圖3是本發(fā)明蓄電池充放電電路的雙向DC/DC變換器原理圖；圖4是本發(fā)明超級電容器充放電控制電路的原理框圖；
圖5是本發(fā)明蓄電池充放電控制電路的原理框圖；圖6是本發(fā)明混合儲能裝置在電梯運行前預充電控制流程圖；圖7是本發(fā)明混合儲能裝置在母線電壓下降時的控制流程圖；圖8是本發(fā)明混合儲能裝置在負荷發(fā)生能量回饋時的控制流程圖；圖9是本發(fā)明混合儲能裝置在電網停電時的控制流程圖；圖10是本發(fā)明混合儲能裝置應用于多電梯供電系統(tǒng)的工作原理框圖。
具體實施例方式
以下結合附圖和具體實施方式
進一步說明本發(fā)明。
如圖1所示，本發(fā)明的電梯裝置包括整流器200，直流母線11，母線濾波電容300，泄放回路100，變頻器901，電機及其負載902。其中，泄放回路100與直流母線11并聯(lián)連接，包括泄放電阻101和泄放控制開關102。電網的三相交流電經過整流器200整流，輸出供給直流母線11，母線濾波電容300對直流母線11進行濾波，變頻器901的輸入端與直流母線11連接，輸出的三相交流驅動電機及其負載902。
本發(fā)明用于電梯的混合儲能裝置包括超級電容器組10、蓄電池組20、超級電容器充放電電路30、蓄電池充放電電路40、超級電容器充放電控制電路50、蓄電池充放電控制電路60。超級電容器組10通過超級電容器充放電電路30與直流母線11相連，蓄電池組20通過蓄電池充放電電路40與直流母線11相連。超級電容器充放電控制電路50控制超級電容器充放電電路30的工作，決定了超級電容器組10與直流母線11之間的能量流動過程。在電梯開始工作前，直流母線11通過超級電容器充放電電路30以較大的功率對超級電容器組10充電，直至其荷電狀態(tài)達到設定值。蓄電池充放電控制電路60控制蓄電池充放電電路40的工作，決定了蓄電池組20與直流母線11之間的能量流動過程。在電梯開始工作前，直流母線11通過蓄電池充放電電路40以優(yōu)化的恒流方式或脈沖方式對蓄電池組20充電，直至其荷電狀態(tài)達到設定值。在工作過程中，根據(jù)系統(tǒng)狀態(tài)和用戶指令決定蓄電池組20的工作過程。當蓄電池組20需要在特定的時間內提供一定的能量時，控制蓄電池充放電電路40，使蓄電池組20以優(yōu)化的恒流方式放電。當蓄電池組20需要在特定的時間內吸收一定的能量時，控制蓄電池充放電電路40，使蓄電池組20以優(yōu)化的恒流方式或脈沖方式充電。
圖2所示為本發(fā)明超級電容器充放電電路30的雙向DC/DC變換器。由可控功率開關管32、34，功率二極管33、35，電感31，濾波電容36、37，輸入輸出端38、39組成。電感31的31a端與端口38的正端38a連接；電感31的31b端與功率開關管32的32a端連接，并與功率二極管33的陰極33a端連接，功率開關管32的32b端與二極管33的陽極33b連接，同時與端口38的負端38b及端口39的負端口39b連接；電感31的31b端與功率開關管34的34a端連接，并與功率二極管35的陽極35a端連接，功率開關管34的34b端與二極管35的陰極35b連接，并與端口39的正端39a連接；濾波電容36與端口38并聯(lián)連接，濾波電容37與端口39并聯(lián)連接。其中，可控功率開關管32和34包括但不限于MOSFET、IGBT、IGCT等，本實施例采用將IGBT功率開關器件及其驅動電路集成在一起的IPM模塊，該模塊內部帶有過流、過熱保護功能。當端口38作為輸入端，端口39作為輸出端時，電路為升壓型DC/DC，34和33不工作，32作為可控開關管，與35一起控制電路的工作。當端口39作為輸入端，端口38作為輸出端時，電路為降壓型DC/DC，32和35不工作，34作為可控開關管，與33一起控制電路的工作。由于直流母線11的電壓較高，因此，端口38接超級電容器組10，端口39接直流母線11。當能量從超級電容器組10流向直流母線11時，為升壓型DC/DC，當能量從直流母線11流向超級電容器組10時，為降壓型DC/DC。
圖3所示為本發(fā)明蓄電池充放電電路40的雙向DC/DC變換器。由可控功率開關管42、44，功率二極管43、45，電感41，濾波電容46、47，輸入輸出端48、49組成。電感41的41a端與端口48的正端48a連接；電感41的41b端與功率開關管42的42a端連接，并與功率二極管43的陰極43a端連接，功率開關管42的42b端與二極管43的陽極43b連接，并與端口48的負端48b及端口49的負端49b連接；電感41的41b端與功率開關管44的44a端連接，并與功率二極管45的陽極45a端連接，功率開關管44的44b端與二極管45的陰極45b連接，并與端口49的正端49a連接；濾波電容46與端口48并聯(lián)連接，濾波電容47與端口49并聯(lián)連接。其中，可控功率開關管42和44包括但不限于MOSFET、IGBT、IGCT等，本實施例采用將IGBT功率開關器件及其驅動電路集成在一起的IPM模塊，該模塊內部帶有過流、過熱保護功能。由于直流母線11的電壓較高，因此，端口48接蓄電池組20，端口49接直流母線11。這樣，當能量從蓄電池組20流向直流母線11時，為升壓型DC/DC，當能量從直流母線11流向蓄電池組20時，為降壓型DC/DC。
如圖4所示，本發(fā)明超級電容器充放電控制電路50包括信號采樣單元51，A/D轉換單元52，用戶指令單元53，計算控制單元54，以及隔離驅動單元55。其中，計算控制單元54包括但不限于數(shù)字信號處理器DSP，單片機，嵌入式系統(tǒng)等。信號采樣單元51分別采用電壓傳感器、電流傳感器、溫度傳感器、速度傳感器、加速度傳感器、位置傳感器、濃度傳感器、稱重傳感器對系統(tǒng)的狀態(tài)參數(shù)進行采樣，包括，電網電壓，母線電壓，電梯的位置、載重量、速度和加速度，超級電容器組10的電壓和充放電電流，蓄電池組20的電壓、溫度、電解液密度和充放電電流等。輸出電壓信號送給A/D轉換單元52，并將轉化的數(shù)字信號送給計算控制單元54。用戶指令單元53將用戶指令送給計算控制單元54，包括電梯的升降、目的樓層等。計算控制單元54按照設定的控制過程輸出控制信號，經過隔離驅動單元55，驅動超級電容器充放電電路30中的功率開關管32和34，實現(xiàn)控制過程。設定的控制過程包括在電機運行前，控制功率開關管32不工作，驅動34，直流母線11給超級電容器組10供電；在電梯的啟動、加速過程中，控制功率開關管[34]不工作，驅動32，超級電容器組10向直流母線11提供能量；在電梯產生能量回饋過程中，控制開關管32不工作，驅動34，直流母線11給超級電容器組10供電；在電網停電過程中，控制功率開關管34不工作，驅動32，超級電容器組10向直流母線11提供能量。
如圖5所示，本發(fā)明蓄電池充放電控制電路60包括信號采樣單元61，A/D轉換單元62，用戶指令單元63，計算控制單元64，以及隔離驅動單元65。其中，計算控制單元54包括但不限于數(shù)字信號處理器DSP，單片機，嵌入式系統(tǒng)等。信號采樣單元61分別采用電壓傳感器、電流傳感器、溫度傳感器、速度傳感器、加速度傳感器、位置傳感器、濃度傳感器、稱重傳感器對系統(tǒng)的狀態(tài)參數(shù)進行采樣，包括，電網電壓，母線電壓，電梯的位置、載重量、速度和加速度，超級電容器組10的電壓和充放電電流，蓄電池組20的電壓、溫度、電解液密度和充放電電流等。輸出的電壓信號送給A/D轉換單元62，并將轉換的數(shù)字信號送給計算控制單元64。用戶指令單元63將用戶指令送給計算控制單元64，包括電梯的升降、目的樓層等。計算控制單元64按照設定的控制過程輸出控制信號，經過隔離驅動單元65，驅動蓄電池充放電電路40中的功率開關管42和44，實現(xiàn)控制過程。設定的控制過程包括在電機運行前，控制功率開關管42不工作，驅動44，直流母線11給蓄電池組20供電；在電梯的啟動、加速過程中，若超級電容器組10的端電壓下降到一定設定值時，控制功率開關管44不工作，驅動42，向直流母線11提供能量；在電梯產生能量回饋過程中，若超級電容器組10的端電壓上升到一定的設定值時，控制開關管42不工作，驅動44，直流母線11給蓄電池組20供電；在電網停電過程中，控制功率開關管44不工作，驅動42，向直流母線11提供能量，其輸出功率等于電梯在工作過程中的平均功率。
在實際應用中，超級電容器充放電控制電路50和蓄電池充放電控制電路60共用信號采集單元、A/D轉換單元，以及用戶指令單元，計算控制單元可以采用一個CPU，也可以采用多個CPU，多個CPU之間具有數(shù)據(jù)通訊通道。
電梯在開始運行前，電網通過整流器200給直流母線11供電，為其建立起工作電壓?；旌蟽δ苎b置開始預充電，充電過程如圖6所示。根據(jù)系統(tǒng)狀態(tài)和用戶指令，包括電梯位置、載重量、升降距離等，決定蓄電池組20和超級電容器組10應該達到的荷電狀態(tài)。直流母線11通過超級電容器充放電電路30給超級電容器組10充電，充電功率較大，以使其荷電狀態(tài)較快地達到設定的要求。在這個工作過程中，功率開關管32始終斷開，超級電容器充放電控制電路50輸出的驅動信號控制開關管34，控制直流母線11向超級電容器組10的供電過程。同時，直流母線11通過蓄電池充放電電路40給蓄電池組20充電，采用優(yōu)化的恒流充電或脈沖充電方式。在這個工作過程中，功率開關管42始終斷開，蓄電池充放電控制電路60輸出驅動信號控制開關管44，控制直流母線11向蓄電池組20的供電過程。當超級電容器組10和蓄電池組20的荷電狀態(tài)達到了設定值，停止充電，電梯準備就緒，可以運行。
電梯在啟動、加速過程中，功率需求加大，導致直流母線11電壓降低；此外，當電網電壓發(fā)生中斷、跌落時，也會引起母線電壓將低?；旌蟽δ苎b置向直流母線11供電，以使其電壓維持在一定的范圍內，過程如圖7所示。超級電容器組10通過超級電容器充放電電路30給直流母線11供電。在這個過程中，功率開關管34始終斷開，超級電容器充放電控制電路50輸出的控制信號驅動功率開關管32，控制超級電容器組10向直流母線11的供電過程。一般情況下，只通過超級電容器組10的放電就可以滿足系統(tǒng)要求，但當超級電容器組10持續(xù)放電而導致其端電壓下降到一定設定值時，或者根據(jù)系統(tǒng)狀態(tài)和用戶指令判斷出蓄電池組20需要釋放一定的功率和能量時，蓄電池組20通過蓄電池充放電電路40向直流母線11供電。在這個過程中，功率開關管44始終斷開，蓄電池充放電控制電路60輸出的驅動信號控制功率開關管42，控制蓄電池組20向直流母線11的供電過程。蓄電池組20一般工作于較優(yōu)化的恒流放電方式。檢測超級電容器組10和蓄電池組20的荷電狀態(tài)，如果低于一定的設定值，控制電梯安全停機，混合儲能裝置停止供電。
電梯在減速、停機過程中，電機處于發(fā)電狀態(tài)，并通過變頻器901向直流母線11饋電，導致母線電壓升高?；旌蟽δ苎b置以一定的方式吸收這部分功率和能量，過程如圖8所示。超級電容器充放電控制電路50控制超級電容器充放電電路30，使直流母線11通過超級電容器充放電電路30給超級電容器組10充電。在這個工作過程中，功率開關管32始終斷開，超級電容器充放電控制電路60輸出的驅動信號控制開關管34，控制直流母線11向超級電容器組10的供電過程。一般情況下，只給超級電容器組10充電就可以達到吸收峰值功率的目的，但當超級電容器組10持續(xù)充電而導致其端電壓上升到一定設定值時，或者由系統(tǒng)狀態(tài)和用戶指令判斷出蓄電池組20需要吸收一部分功率或能量時，蓄電池充放電控制電路60控制蓄電池充放電電路40，直流母線11通過蓄電池充放電電路40給蓄電池組20充電。在這個過程中，功率開關管42始終斷開，蓄電池充放電控制電路60輸出的驅動信號控制功率開關管44，控制直流母線11向蓄電池組20的供電過程。一般蓄電池組20工作于優(yōu)化的恒流充電方式。當超級電容器組10和蓄電池組20充電至設定荷電狀態(tài)而直流母線11的端電壓仍然高于設定的電壓值時，泄放回路100中的控制開關102閉合，直流母線11通過泄放電阻101放電，直至其端電壓下降到設定的電壓值，控制開關102斷開。
當電網停電時，由混合儲能裝置提供電梯正常運行所需的功率和能量，實現(xiàn)不間斷供電，過程如圖9所示。蓄電池組20通過蓄電池充放電電路40給直流母線11供電，蓄電池組20恒流放電，其輸出功率等于電梯運行過程中的平均功率。在這個過程中，功率開關管44始終斷開，蓄電池充放電控制電路60輸出的驅動信號控制功率開關管42，控制蓄電池組20向直流母線11的供電過程。超級電容器組10通過超級電容器充放電電路30給直流母線11供電，主要用于提供電梯在啟動、加速時的峰值功率需求，并在電梯減速、停機等功率需求較低時接受直流母線11的充電。在這個過程中，超級電容器充放電控制電路50輸出的驅動信號控制功率開關管32和34在不同的時間段交替工作，實現(xiàn)能量的雙向流動。混合儲能裝置持續(xù)工作，直至電梯繼續(xù)運行至下一樓層并打開電梯門，或者其它備用發(fā)電設備啟動并輸出電能，或者連續(xù)運行直至電網恢復供電。如果停電時間過長，蓄電池組20和超級電容器組10的荷電狀態(tài)低于設定的下限值，系統(tǒng)控制電梯在適當?shù)臉菍影踩C，并停止混合儲能裝置的供電。
圖10是本發(fā)明混合儲能裝置在多電梯供電系統(tǒng)中的應用實施例。在圖1所示系統(tǒng)的基礎上，電網通過整流電路200整流并將產生的直流電傳送給公共直流母線11，公共直流母線11驅動多組由變頻器901和電機902組成的負荷90，在本實施例中，所有電梯裝置通過公共直流母線11共用一套泄放回路100(包括泄放電組101和泄放控制開關102)。
混合儲能裝置的工作過程和控制方法與圖1所示實施例相似。本實施例的優(yōu)點在于，通過一組公共直流母線11驅動多組負荷90，可以充分發(fā)揮各負荷之間因工作過程不同步而出現(xiàn)的能量互補作用，這樣可以進一步縮小混合儲能裝置的安裝容量，減少超級電容器組10和蓄電池組20的工作過程，提高了能量利用效率。
權利要求
1.一種電梯用的混合儲能裝置，其特征在于包括超級電容器組[10]，蓄電池組[20]，超級電容器充放電電路[30]，蓄電池充放電電路[40]，超級電容器充放電控制電路[50]，蓄電池充放電控制電路[60]；超級電容器組[10]通過超級電容器充放電電路[30]與直流母線[11]連接，蓄電池組[20]通過蓄電池充放電電路[40]與直流母線[11]連接；超級電容器充放電控制電路[50]控制超級電容器充放電電路[30]的工作過程，蓄電池充放電控制電路[60]控制蓄電池充放電電路[40]的工作過程；超級電容器充放電電路[30]和蓄電池充放電電路[40]采用非隔離型雙向DC/DC功率變換器；超級電容器充放電控制電路[50]包括信號采樣單元[51]，A/D轉換單元[52]，用戶指令單元[53]，計算控制單元[54]，以及隔離驅動單元[55]；蓄電池充放電控制電路[60]包括信號采樣單元[61]，A/D轉換單元[62]，用戶指令單元[63]，計算控制單元[64]，以及隔離驅動單元[65]；在超級電容器充放電控制電路[50]中，信號采樣單元[51]采集系統(tǒng)參數(shù)，輸出電壓信號送給A/D轉換單元[52]，A/D轉換單元[52]將轉換的數(shù)字信號送給計算控制單元[54]，用戶指令單元[53]將用戶指令送給計算控制單元[54]，計算控制單元[54]輸出控制信號送給隔離驅動單元[55]；在蓄電池充放電控制電路[60]中，信號采樣單元[61]采集系統(tǒng)參數(shù)，輸出電壓信號送給A/D轉換單元[62]，A/D轉換單元[62]將轉換的數(shù)字信號送給計算控制單元[64]，用戶指令單元[63]將用戶指令送給計算控制單元[64]，計算控制單元[54]輸出控制信號送給隔離驅動單元[65]。
2.如權利要求1所述的電梯用混合儲能裝置，其特征在于超級電容器充放電電路[30]的雙向DC/DC功率變換器由可控功率開關管[32和34]，功率二極管[33和35]，電感[31]，濾波電容[36和37]，輸入輸出端[38和39]組成；電感[31]的31a端與端口[38]的正端38a連接；電感[31]的31b端與功率開關管[32]的32a端及功率二極管[33]的陰極33a端連接，功率開關管[32]的32b端與二極管[33]的陽極33b連接，并與端口[38]的負端38b及端口[39]的負端39b連接；電感[31]的31b端與功率開關管[34]的34a端及功率二極管[35]的陽極35a端連接，功率開關管[34]的34b端與二極管[35]的陰極35b連接，并與端口[39]的正端39a連接；濾波電容[36]與端口[38]并聯(lián)連接，濾波電容[37]與端口[39]并聯(lián)連接。
3.如權利要求1所述的電梯用混合儲能裝置，其特征在于蓄電池充放電電路[40]的雙向DC/DC功率變換器由可控功率開關管[42和44]、功率二極管[43和45]、電感[41]、濾波電容[46和47]、輸入輸出端[48和49]組成；電感[41]的41a端與端口[48]的正端48a連接；電感[41]的41b端與功率開關管[42]的42a端和功率二極管[43]的陰極43a端連接，功率開關管[42]的42b端與二極管[43]的陽極43b連接，并與端口[48]的負端48b及端口[49]的負端49b連接；電感[41]的41b端與功率開關管[44]的44a端及功率二極管[45]的陽極45a端連接，功率開關管[44]的44b端與二極管[45]的陰極45b連接，并與端口[49]的正端49a連接；濾波電容[46]與端口[48]并聯(lián)連接，濾波電容[47]與端口[49]并聯(lián)。
4.如權利要求1所述的電梯用混合儲能裝置，其特征在于所述混合儲能裝置應用于多電梯的供電系統(tǒng)，各個電梯電機[902]通過變頻器[901]與公共直流母線[11]相連，并共用一個泄放回路[100]。
5.一種用于權利要求1所述的電梯用混合儲能裝置的控制方法，其特征在于超級電容器充放電控制電路[50]中的信號采樣單元[51]采樣電網電壓，母線電壓，電梯位置、載重量、速度和加速度，超級電容器組[10]的電壓和充放電電流，蓄電池組[20]的電壓、溫度、電解液密度和充放電電流等狀態(tài)參數(shù)，輸出電壓信號送給A/D轉換單元[52]，A/D轉換單元[52]將轉換的數(shù)字信號送給計算控制單元[54]；用戶指令單元[53]將用戶指令送給計算控制單元[54]，計算控制單元[54]按照設定的控制過程輸出控制信號，經過隔離驅動單元[55]，驅動超級電容器充放電電路[30]中的功率開關管[32和34]，實現(xiàn)控制過程；設定的控制過程包括在電機運行前，控制功率開關管[32]不工作，驅動[34]，直流母線[11]給超級電容器組[10]供電；在電梯的啟動、加速過程中，控制功率開關管[34]不工作，驅動[32]，向直流母線[11]提供能量；在電梯產生能量回饋過程中，控制開關管[32]不工作，驅動[34]，直流母線[11]給超級電容器組[10]供電；在電網停電過程中，控制功率開關管[34]不工作，驅動[32]，向直流母線[11]提供能量；蓄電池充放電控制電路[60]的信號采樣單元[61]采樣電網電壓，母線電壓，電梯位置、載重量、速度和加速度，超級電容器組[10]的電壓和充放電電流，蓄電池組[20]的電壓、溫度、電解液密度和充放電電流等狀態(tài)參數(shù)，輸出電壓信號送給A/D轉換單元[62]，A/D轉換單元[62]將轉換的數(shù)字信號送給計算控制單元[64]；用戶指令單元[63]將用戶指令送給計算控制單元[64]，計算控制單元[64]按照設定的控制過程輸出控制信號，經過隔離驅動單元[65]，驅動超級電容器充放電電路[40]中的功率開關管[42]和[44]，實現(xiàn)控制過程；設定的控制過程包括在電機運行前，控制功率開關管[42]不工作，驅動[44]，直流母線[11]給蓄電池組[20]供電；在電梯的啟動、加速過程中，若超級電容器組[10]的端電壓下降到一定設定值時，控制功率開關管[44]不工作，驅動[42]，蓄電池組[20]向直流母線[11]提供能量；在電梯產生能量回饋過程中，若超級電容器組[10]的端電壓上升到一定的設定值時，控制開關管[42]不工作，驅動[44]，直流母線[11]給蓄電池組[20]供電；在電網停電過程中，控制功率開關管[44]不工作，驅動[42]，蓄電池組[20]向直流母線[11]提供能量，其輸出功率等于電梯在工作過程中的平均功率。
6.一種如權利要求5所述的電梯用的混合儲能裝置控制方法，其特征在于超級電容器充放電控制電路[50]控制超級電容器充放電電路[30]，在電梯開始工作前，直流母線[11]通過超級電容器充放電電路[30]以較大的功率對超級電容器組[10]充電，直流母線[11]通過蓄電池充放電電路[40]以優(yōu)化的恒流方式或脈沖方式對蓄電池組[20]充電，直至其荷電狀態(tài)達到設定值。
7.一種如權利要求5所述的電梯用的混合儲能裝置控制方法，其特征在于蓄電池充放電控制電路[60]控制控制蓄電池充放電電路[40]，根據(jù)系統(tǒng)狀態(tài)和用戶指令決定蓄電池組[20]的工作過程；當蓄電池組[20]需要在特定的時間內提供一定的能量時，控制蓄電池充放電電路[40]，使蓄電池組[20]以優(yōu)化的恒流方式放電；當蓄電池組[20]需要在特定的時間內吸收一定的能量時，控制蓄電池充放電電路[40]，使蓄電池組[20]以優(yōu)化的恒流方式或脈沖方式充電。
全文摘要
一種電梯用混合儲能裝置及其控制方法，包括超級電容器組[10]，蓄電池組[20]，超級電容器充放電電路[30]，蓄電池充放電電路[40]，超級電容器充放電控制電路[50]，蓄電池充放電控制電路[60]。超級電容器組[10]通過超級電容器充放電電路[50]與電梯供電系統(tǒng)中的直流母線連接，蓄電池組[20]通過蓄電池充放電電路[40]與直流母線連接。本發(fā)明通過控制超級電容器充放電控制電路[50]和蓄電池充放電控制電路[60]，可以實現(xiàn)不間斷供電和功率緩沖功能；使超級電容器組[10]和蓄電池組[20]的安裝容量最小化，節(jié)約了成本；使蓄電池組[20]處于優(yōu)化的充放電工作狀態(tài)，減少充放電循環(huán)次數(shù)，或者減小放電深度，延長使用壽命；可以節(jié)省泄放回路或者減小其安裝容量，節(jié)約了空間，降低了能耗。在本發(fā)明的混合電源裝置中，蓄電池組[20]只通過一級DC/DC與直流母線進行能量交換，儲能效率大為提高。
文檔編號H02J7/34GK1835329SQ200610011629
公開日2006年9月20日 申請日期2006年4月10日 優(yōu)先權日2006年4月10日
發(fā)明者馮之鉞, 齊智平, 唐西勝, 韋統(tǒng)振, 王司博 申請人:中國科學院電工研究所