專利名稱：一種用于電梯的混合儲能裝置及其控制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種混合儲能裝置及其控制方法，特別涉及用于電梯的混合儲能裝置及其控制方法。
背景技術(shù)：
在電梯的驅(qū)動系統(tǒng)中，一般采用變頻器驅(qū)動方式。將電網(wǎng)進(jìn)行直接整流，并匯流到直流母線，形成一個直流供電系統(tǒng)，控制變頻器以變壓變頻方式工作輸出三相交流電驅(qū)動電梯電機。在這個直流供電系統(tǒng)中，由于電梯電機負(fù)荷的較強非阻性，在啟動或加速時會從直流母線中吸收較大的功率，導(dǎo)致母線電壓降低；而在停機或減速時又會因為電機處于發(fā)電狀態(tài)而向直流母線饋電，導(dǎo)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(shè)備的工作性能。在電機驅(qū)動系統(tǒng)中一般要在直流母線間配置能量泄放回路，但會造成一定的能量損失，降低了系統(tǒng)的經(jīng)濟性。
此外，當(dāng)電網(wǎng)停電或者發(fā)生瞬時電壓中斷或跌落時，如果沒有備用能量支撐，直流供電系統(tǒng)會停電，導(dǎo)致電機及其它電梯輔助設(shè)備無法運行，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(wǎng)停電、或電壓中斷或跌落時，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(dá)安全的位置并打開電梯門。此外，儲能裝置還可以起到功率緩沖器的作用。當(dāng)負(fù)載功率需求增大時，儲能裝置輸出電能，與電網(wǎng)一起提供所需的功率，可以減小對電網(wǎng)的功率需求；在負(fù)載產(chǎn)生功率回饋時，儲能裝置吸收一部分功率，避免直流母線電壓過高，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(yīng)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(yīng)用于電梯的供電系統(tǒng)，直接與直流母線連接，或者通過充放電裝置與直流母線相連，作為系統(tǒng)的應(yīng)急電源，或者功率緩沖器。美國專利US6457565B2公開了一種電梯用應(yīng)急電源。電網(wǎng)經(jīng)過整流濾波后匯接到直流母線，直流母線驅(qū)動電機的變頻器，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(dāng)負(fù)荷較輕時，直流母線通過功率變換器給蓄電池充電。當(dāng)由于電機產(chǎn)生能量回饋而導(dǎo)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(fù)荷較重時釋放出來以起到功率緩沖的作用。當(dāng)電網(wǎng)停電，或者發(fā)生電壓短時中斷或跌落時，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(nèi)，以保證系統(tǒng)的正常工作。
將可充電蓄電池應(yīng)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(zhì)會發(fā)生化學(xué)變化，引起電極結(jié)構(gòu)的膨脹和收縮，導(dǎo)致蓄電池性能的衰減。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(wǎng)供電不可靠的地區(qū)為保證不間斷供電還要經(jīng)常進(jìn)行深度充放電，導(dǎo)致蓄電池使用壽命的縮短，需要經(jīng)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(fù)時間較長，電網(wǎng)停電恢復(fù)后，由于蓄電池的放電深度較大，一般需要經(jīng)過很長的時間才能使容量恢復(fù)到一定的水平，導(dǎo)致電梯在停電后要經(jīng)過很長的恢復(fù)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，為了使母線電壓維持在一定的范圍內(nèi)，蓄電池需要具有很大的功率能力。因此，在實際設(shè)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(jīng)濟性。此外，蓄電池的充放電效率較低，需要經(jīng)常維護(hù)，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(rèn)為超級電容器包括雙電層電容器(Electric Double Layer Capacitor)和電化學(xué)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(chǎn)生雙電層電容而工作的。電化學(xué)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(yīng)而產(chǎn)生吸附電容，又稱為法拉第準(zhǔn)電容，根據(jù)電極材料的不同可分為金屬氧化物和導(dǎo)電性高分子聚合物兩類電化學(xué)電容器。由于法拉第準(zhǔn)電容的產(chǎn)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(xué)反應(yīng)和電極結(jié)構(gòu)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(zhǔn)確、無需維護(hù)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(yīng)急電源裝置，超級電容器組通過一種功率調(diào)節(jié)設(shè)備與直流母線連接，直流母線與變頻器的輸入端連接。當(dāng)電網(wǎng)停電、電壓跌落或中斷時，超級電容器組通過功率調(diào)節(jié)設(shè)備向直流母線供電，以維持電機及電梯輔助設(shè)備的正常工作直至到達(dá)下一個樓層。超級電容器組通過功率調(diào)節(jié)設(shè)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)定并處于正常的范圍內(nèi)。
盡管超級電容器具有很多優(yōu)點，但其缺點也較明顯。其能量密度與可充電蓄電池相比較低，目前雙電層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(yīng)急電源，需要配置很大容量的超級電容器組，才能提供所需的能量，這樣會使設(shè)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提高了系統(tǒng)的成本，降低了經(jīng)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(jié)合，無疑會給電力儲能裝置的性能帶來很大的提高。混合儲能裝置具有較好的儲能能力和功率能力，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(nèi)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(shù)性能和經(jīng)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(yīng)急電源裝置中，為了延長應(yīng)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(shè)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(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種電梯用混合儲能裝置和控制方法，為電梯提供在電網(wǎng)停電或者電壓跌落、中斷時的應(yīng)急電源；并可以為因電機工況改變而導(dǎo)致的直流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，并通過蓄電池充放電電路與蓄電池組連接，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過程，蓄電池充放電控制電路控制蓄電池充放電電路的工作過程。
超級電容器可以采用雙電層電容器，也可以采用電化學(xué)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)均壓器進(jìn)行均壓處理，還可以采用串并聯(lián)轉(zhuǎn)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需要雙向流動，因此，設(shè)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的BUCK電路和一個升壓型的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(guān)和功率二極管，當(dāng)一個電路工作時，另一個電路的一對功率開關(guān)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(zhuǎn)換單元、用戶指令單元、計算控制單元(CPU)、隔離驅(qū)動單元等。具體的控制管理過程則由軟件編程實現(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(wǎng)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(chǎn)生相應(yīng)的電壓信號，送給A/D轉(zhuǎn)換單元，A/D轉(zhuǎn)換單元將轉(zhuǎn)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，并能減少儲能裝置的安裝容量，延長蓄電池的使用壽命，提高系統(tǒng)經(jīng)濟性。其控制思想的基本原則包括以下幾點。
第一，利用超級電容器充放電電路、蓄電池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，控制超級電容器充放電電路和蓄電池充放電電路，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，而少發(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)或小循環(huán)次數(shù)，或者減小放電深度，以延長蓄電池的使用壽命。
第四，根據(jù)電網(wǎng)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(yù)先判斷混合儲能裝置需要輸出或輸入的功率和能量，及時準(zhǔn)確地控制超級電容器充放電電路和蓄電池充放電電路的工作過程，提高儲能裝置的快速響應(yīng)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充電，以優(yōu)化的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(dǎo)致母線電壓下降；當(dāng)電網(wǎng)電壓發(fā)生短時中斷、跌落時，也會導(dǎo)致母線電壓下降。當(dāng)母線電壓低于一定設(shè)定值時，超級電容器組通過充放電電路向直流母線供電，以維持母線電壓在正常的工作范圍之內(nèi)。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(dāng)超級電容器組因放電而導(dǎo)致端電壓低于一定設(shè)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(dāng)電機發(fā)生能量回饋時，直流母線的電壓將會升高。當(dāng)高于一定的設(shè)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，充電功率要視直流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(dá)到吸收峰值功率的目的，但當(dāng)超級電容器組的端電壓高于一定的設(shè)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，超級電容器組通過蓄電池充放電電路給蓄電池充電，充電方式為優(yōu)化的恒流充電或脈沖充電等。
當(dāng)電網(wǎng)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)電設(shè)備可靠啟動并輸出電能，或者保證電梯安全停機，或者連續(xù)運行直至電網(wǎng)恢復(fù)正常。在應(yīng)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負(fù)荷的平均功率；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。
對于高層觀光塔中的電梯和礦井提升機，因為停靠點很少而在停電后需要運行很長的距離，電梯才能到達(dá)停靠點，輔助電源需要支持較長的時間。還有一些特殊應(yīng)用場合，需要電梯能夠在停電后連續(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。應(yīng)急電源支持時間的長短，主要取決于蓄電池組的容量。
當(dāng)電網(wǎng)恢復(fù)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)，電梯不能立即運行，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(dāng)蓄電池組和超級電容器組的荷電狀態(tài)達(dá)到設(shè)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(shù)性能。
(2)由于蓄電池充放電電路及其控制電路的作用，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)，或者減小發(fā)生充放電循環(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電路的作用，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，減少了超級電容器組的安裝容量，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相互之間可以有很大的不同，使超級電容器組和蓄電池組的結(jié)構(gòu)配置更為靈活。
(5)當(dāng)電梯電機產(chǎn)生能量回饋時，混合儲能裝置可以有效地吸收直流母線上的瞬時大功率，不需要采用泄放回路將能量消耗掉，或者可以大幅度地減小泄放回路的安裝容量，降低了能耗，節(jié)約了成本。
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(jié)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(nèi)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(shù)性能和經(jīng)濟性能，是解決目前電力儲能問題的一個很好的選擇，將其用于電梯供電系統(tǒng)，具有很明顯的優(yōu)勢。


圖1是本發(fā)明混合儲能裝置應(yīng)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(yù)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(fù)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(wǎng)停電時的控制流程圖；圖10是本發(fā)明混合儲能裝置應(yīng)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(jié)合附圖和具體實施方式
進(jìn)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(fù)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(guān)102。電網(wǎng)的三相交流電經(jīng)過整流器200整流，輸出供給直流母線11，母線濾波電容300對母線11進(jìn)行濾波，變頻器901的輸入端與直流母線11連接，變頻器901輸出的三相交流驅(qū)動電機及其負(fù)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，以及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，并通過蓄電池充放電電路40與蓄電池組20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，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。電梯開始工作前，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，直流母線11通過超級電容器充電電路30以較大的功率給超級電容器組10充電，直至其荷電狀態(tài)達(dá)到設(shè)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與超級電容器組10之間的能量流動過程。電梯開始工作前，超級電容器組10通過蓄電池充電電路[40]以優(yōu)化的恒流方式或脈沖方式給蓄電池組20充電，直至其荷電狀態(tài)達(dá)到設(shè)定值。在工作過程中，蓄電池充放電控制電路60控制蓄電池充放電電路40，根據(jù)系統(tǒng)狀態(tài)和用戶指令判斷蓄電池組20需要輸出或輸入的功率和能量；當(dāng)蓄電池組20需要在特定的時間內(nèi)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)化的電流放電。當(dāng)蓄電池組20需要在特定的時間內(nèi)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(guān)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(guān)管32的32a端及功率二極管33的陰極33a端連接，功率開關(guān)管32的32b端與二極管33的陽極33b連接，并與端口38的負(fù)端38b及端口39的負(fù)端39b連接；電感31的31b端與功率開關(guān)管34的34a端及功率二極管35的陽極35a端連接，功率開關(guān)管34的34b端與功率二極管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(guān)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(guān)器件及其驅(qū)動電路集成在一起的IPM模塊，該模塊內(nèi)部帶有過流、過熱保護(hù)功能。當(dāng)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(guān)管，與35一起控制電路的工作。當(dāng)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(guān)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，將端口38與超級電容器組10連接，將端口39與直流母線11連接。當(dāng)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(dāng)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(guān)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(guān)管42的42a端及功率二極管43的陰極43a端連接，功率開關(guān)管42的42b端與二極管43的陽極43b連接，并與端口48的負(fù)端48b和端口49的負(fù)端49b連接；電感41的41b端與功率開關(guān)管44的44a端及功率二極管45的陽極45a端連接，功率開關(guān)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(guān)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(guān)器件及其驅(qū)動電路集成在一起的IPM模塊，該模塊內(nèi)部帶有過流、過熱保護(hù)功能。在本實施例中，將端口48與超級電容器組10連接，將端口49與蓄電池組20連接。這樣，當(dāng)能量從超級電容器組10流向蓄電池組20時，為升壓型DC/DC；當(dāng)能量從蓄電池組20流向超級電容器組10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(zhuǎn)換單元52，用戶指令單元53，計算控制單元54，以及隔離驅(qū)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；隔離驅(qū)動單元55采用光耦芯片，對計算控制單元的輸出信號進(jìn)行電氣隔離并功率放大。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(jìn)行采樣，包括，電網(wǎng)電壓，母線電壓，電梯的位置、載重量、速度、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，并將產(chǎn)生的電壓信號送給A/D轉(zhuǎn)換單元52。A/D轉(zhuǎn)換單元52將轉(zhuǎn)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，主要包括電梯的升降、目的樓層等。計算控制單元54按照設(shè)定的控制過程輸出控制信號，經(jīng)過隔離驅(qū)動單元55，驅(qū)動超級電容器充放電電路30中的功率開關(guān)管32和34，實現(xiàn)控制過程。設(shè)定的控制過程包括在電機運行前，控制功率開關(guān)管32不工作，驅(qū)動34，直流母線11給超級電容器組10和蓄電池充放電電路40供電；在電梯的啟動、加速過程中，控制功率開關(guān)管34不工作，驅(qū)動32，超級電容器組10向直流母線11提供能量；在電梯產(chǎn)生能量回饋過程中，控制開關(guān)管32不工作，驅(qū)動34，直流母線11給超級電容器組10和蓄電池充放電電路40供電；在電網(wǎng)停電過程中，控制功率開關(guān)管34不工作，驅(qū)動32，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(zhuǎn)換單元62，用戶指令單元63，計算控制單元64，以及隔離驅(qū)動單元65。其中，計算控制單元64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；隔離驅(qū)動單元65采用光耦芯片，對計算控制單元64的輸出信號進(jìn)行電氣隔離并功率放大。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(jìn)行采樣，包括，電網(wǎng)電壓，母線電壓，電梯的位置、載重量、速度、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，并將產(chǎn)生的電壓信號送給A/D轉(zhuǎn)換單元62。A/D轉(zhuǎn)換單元62將轉(zhuǎn)換的數(shù)字信號送給計算控制單元64。用戶指令單元63將用戶指令傳送到計算控制單元64，主要包括電梯的升降、目的樓層等。計算控制單元64按照設(shè)定的控制過程輸出控制信號，經(jīng)過隔離驅(qū)動單元65，驅(qū)動蓄電池充放電電路40中的功率開關(guān)管42和44，實現(xiàn)控制過程。設(shè)定的控制過程包括在電梯開始運行前，控制開關(guān)管44不工作，驅(qū)動42，超級電容器組10給蓄電池組20充電；在電梯啟動、加速過程中，若超級電容器組10的端電壓下降到一定的設(shè)定值，控制功率開關(guān)管42不工作，驅(qū)動44，蓄電池組20給超級電容器組10供電；在電梯減速、停機過程中，若超級電容器組10的端電壓上升到一定的設(shè)定值，控制功率開關(guān)管44不工作，驅(qū)動42，超級電容器組10給蓄電池組20充電；在電網(wǎng)停電過程中，控制功率開關(guān)管42不工作，驅(qū)動44，蓄電池組20給超級電容器組10供電，其輸出功率等于電梯運行過程中的平均功率。
在實際應(yīng)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共用信號采樣單元、A/D轉(zhuǎn)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。
在電梯開始運行前，電網(wǎng)通過整流電路200整流，給直流母線11供電，為其建立起工作電壓。本發(fā)明混合儲能裝置開始預(yù)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(yīng)該達(dá)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(dá)到設(shè)定要求。在這個工作過程中，功率開關(guān)管32始終斷開，超級電容器充放電控制電路50輸出的驅(qū)動信號控制開關(guān)管34，控制直流母線11向超級電容器組10的供電過程。同時，超級電容器組10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。在這個過程中，功率開關(guān)管44始終斷開，蓄電池充放電控制電路60輸出驅(qū)動信號控制開關(guān)管42，控制超級電容器組10向蓄電池組20的供電過程。當(dāng)超級電容器組10和蓄電池組20的荷電狀態(tài)達(dá)到了設(shè)定值，停止充電，電梯準(zhǔn)備就緒，可以運行。
電梯在啟動、加速過程中，功率需求加大，會導(dǎo)致直流母線11電壓降低；此外，當(dāng)電網(wǎng)發(fā)生電壓中斷、跌落時，也會引起直流母線11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(nèi)，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(guān)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(qū)動功率開關(guān)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(dāng)超級電容器組10的端電壓下降到一定設(shè)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給超級電容器組10供電。在這個過程中，功率開關(guān)管42始終斷開，蓄電池充放電控制電路60輸出控制信號驅(qū)動開關(guān)管44，控制蓄電池組20向超級電容器組10的供電過程。一般蓄電池組20處于恒流放電狀態(tài)。檢測蓄電池組20的荷電狀態(tài)，如果低于一定的設(shè)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(dǎo)致其端電壓升高?；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。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。在這個過程中，功率開關(guān)管32始終斷開，超級電容器充放電控制電路50輸出的驅(qū)動信號控制功率開關(guān)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(dá)到吸收峰值功率的目的，但當(dāng)超級電容器組10持續(xù)充電而導(dǎo)致其端電壓上升到一定設(shè)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需要吸收一定的功率和能量時，超級電容器組10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(guān)管44始終斷開，蓄電池充放電控制電路60輸出控制信號驅(qū)動開關(guān)管42，控制超級電容器組10向蓄電池組20的供電過程。一般蓄電池組20工作于優(yōu)化的恒流充電或脈沖充電方式。當(dāng)超級電容器組10和蓄電池組20充電至設(shè)定荷電狀態(tài)而直流母線11的端電壓仍然高于設(shè)定的電壓值時，泄放回路100中的控制開關(guān)102閉合，直流母線11通過泄放電阻101放電，直至母線電壓下降到設(shè)定電壓值，控制開關(guān)102斷開。
當(dāng)電網(wǎng)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放電，蓄電池組20恒流輸出，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(guān)管42始終斷開，蓄電池充放電控制電路60輸出控制信號驅(qū)動開關(guān)管44，控制蓄電池組20的放電過程。超級電容器組10通過超級電容器充放電電路30向直流母線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或蓄電池組20的充電。在這個過程中，超級電容器充放電控制電路50輸出的控制信號驅(qū)動功率開關(guān)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?；旌蟽δ苎b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(shè)備啟動并輸出電能，或者連續(xù)運行直至電網(wǎng)恢復(fù)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(shè)定的下限值，系統(tǒng)控制電梯在適當(dāng)?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(yīng)用實施例。在圖1所示系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，電網(wǎng)通過整流電路200整流并將產(chǎn)生的直流電傳送給公共直流母線11，公共直流母線11驅(qū)動多組由變頻器901和電機902組成的負(fù)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(guān)102)?；旌蟽δ苎b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(qū)動多組負(fù)荷90，可以充分發(fā)揮各負(fù)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(jìn)一步縮小混合儲能裝置的安裝容量，可以減少混合儲能裝置的工作過程，提高能量利用效率。
權(quán)利要求
1.一種用于電梯的混合儲能裝置，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，并通過蓄電池充放電電路[40]與蓄電池組[20]連接；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(zhuǎn)換單元[52]、用戶指令單元[53]、計算控制單元[54]、以及隔離驅(qū)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(zhuǎn)換單元[62]、用戶指令單元[63]、計算控制單元[64]以及隔離驅(qū)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)的狀態(tài)參數(shù)，輸出電壓信號給A/D轉(zhuǎn)換單元[52]，A/D轉(zhuǎn)換單元[52]將轉(zhuǎn)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(qū)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)的狀態(tài)參數(shù)，輸出電壓信號送給A/D轉(zhuǎn)換單元[62]，A/D轉(zhuǎn)換單元[62]將轉(zhuǎn)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]輸出控制信號送給隔離驅(qū)動單元[65]。
2.如權(quán)利要求1所述的用于電梯的混合儲能裝置，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(guān)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(guān)管[32]的32a端和功率二極管[33]的陰極33a端連接，功率開關(guān)管[32]的32b端與二極管[33]的陽極33b連接，并與端口[38]的負(fù)端38b及端口[39]的負(fù)端39b連接；電感[31]的31b端與功率開關(guān)管[34]的34a端和功率二極管[35]的陽極35a端連接，功率開關(guān)管[34]的34b端與二極管[35]的陽極35b連接，并與端口[39]的正端39a連接；濾波電容器[36]與端口[38]并聯(lián)連接，濾波電容器[37]與端口[39]并聯(lián)連接。
3.如權(quán)利要求1所述的用于電梯混合儲能裝置，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(guān)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(guān)管[42]的42a端和功率二極管[43]的陰極43a端連接，功率開關(guān)管[42]的42b端與二極管[43]的陽極43b連接，并與端口[48]的負(fù)端48b及端口[49]的負(fù)端49b連接；電感[41]的41b端與功率開關(guān)管[44]的44a端及功率二極管[45]的陽極45a端連接，功率開關(guān)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；濾波電容器[46]與端口[48]并聯(lián)連接，濾波電容器[47]與端口[49]并聯(lián)連接。
4.如權(quán)利要求1所述的用于電梯的混合儲能裝置，其特征在于所述混合儲能裝置應(yīng)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(quán)利要求1所述的用于電梯的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(wǎng)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狀態(tài)參數(shù)，輸出電壓信號送到A/D轉(zhuǎn)換單元[52]，A/D轉(zhuǎn)換單元[52]將轉(zhuǎn)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(shè)定的控制方法輸出控制信號，經(jīng)過隔離驅(qū)動單元[55]，控制超級電容器充放電電路[30]中的功率開關(guān)管[32和34]，實現(xiàn)控制過程；設(shè)定的控制方法包括在電梯運行前，控制功率開關(guān)管[32]不工作，驅(qū)動[34]，直流母線[11]給超級電容器組[10]和蓄電池充放電電路[40]供電；在電梯的啟動、加速過程中，控制功率開關(guān)管[34]不工作，驅(qū)動[32]，向直流母線[11]提供能量；在電梯產(chǎn)生能量回饋過程中，控制開關(guān)管[32]不工作，驅(qū)動[34]，直流母線[11]給超級電容器組[10]和蓄電池充放電電路[40]供電；在電網(wǎng)停電過程中，控制功率開關(guān)管[34]不工作，驅(qū)動[32]，向直流母線[11]提供能量；蓄電池充放電控制電路[60]中的信號采樣單元[61]采樣電網(wǎng)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狀態(tài)參數(shù)，輸出電壓信號送給A/D轉(zhuǎn)換單元[62]，A/D轉(zhuǎn)換單元[62]將轉(zhuǎn)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(shè)定的控制方法輸出控制信號，經(jīng)過隔離驅(qū)動單元[65]，控制超級電容器充放電電路[40]中的功率開關(guān)管[42]和[44]，實現(xiàn)控制過程；設(shè)定的控制方法包括在電梯開始運行前，控制開關(guān)管[44]不工作，驅(qū)動[42]，超級電容器組[10]給蓄電池組[20]充電；在電梯啟動、加速過程中，若超級電容器組[10]的端電壓下降到一定的設(shè)定值，控制功率開關(guān)管[42]不工作，驅(qū)動[44]，蓄電池組[20]給超級電容器組[10]供電；在電梯減速、停機過程中，若超級電容器組[10]的端電壓上升到一定的設(shè)定值，控制功率開關(guān)管[44]不工作，驅(qū)動[42]，超級電容器組[10]給蓄電池組[20]充電；在電網(wǎng)停電過程中，控制功率開關(guān)管[42]不工作，驅(qū)動[44]，蓄電池組[20]給超級電容器組[10]供電，其輸出功率等于電梯運行過程中所需的平均功率。
6.如權(quán)利要求5所述的用于電梯的混合儲能裝置控制方法，其特征在于電梯開始工作前，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]，直流母線[11]通過超級電容器充電電路[30]以較大的功率給超級電容器組[10]充電，超級電容器組[10]通過蓄電池充電電路[40]以優(yōu)化的恒流方式或脈沖方式給蓄電池組[20]充電，直至它們的荷電狀態(tài)達(dá)到設(shè)定值。
7.如權(quán)利要求5所述的用于電梯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]控制蓄電池充放電電路[40]，根據(jù)系統(tǒng)狀態(tài)和用戶指令判斷蓄電池組[20]需要輸出或輸入的功率和能量；當(dāng)蓄電池組[20]需要在特定的時間內(nèi)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)化的電流放電。當(dāng)蓄電池組[20]需要在特定的時間內(nèi)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]與直流母線連接，并通過蓄電池充放電電路[40]與蓄電池組[20]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]，可實現(xiàn)不間斷供電和功率緩沖，提高了儲能裝置的性能；并可使超級電容器組[10]和蓄電池組[20]的安裝容量最小化，節(jié)約了成本；還可使蓄電池組[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)，或減小放電深度，延長使用壽命。
文檔編號H02J7/34GK1845417SQ200610011630
公開日2006年10月11日 申請日期2006年4月10日 優(yōu)先權(quán)日2006年4月10日
發(fā)明者唐西勝, 齊智平, 馮之鉞, 韋統(tǒng)振, 王司博 申請人:中國科學(xué)院電工研究所