（控制科学与工程专业论文）节能电梯再生能量馈网系统研究.pdf

武汉理 人学硕士学位论文 摘要 电梯节能技术的应用与开发，能显著改善现代建筑电器能耗，对能源节约利 用意义重大。目前，垂直电梯普遍采用投入能耗电阻的方式，来消耗掉电梯特殊 工况下的再生能量，以避免该能量对其它器件的损害。该方式虽然解决了再生能 量带来的不利影响，但是电阻的发热恶化了电梯工作环境，为此而配置的宅调系 统还将带来二次能耗。针对该部分再生能量，本文展开了电梯再生能量分析与馈 网回收技术的研究。主要研究内容如下： 本文首先分析了电梯产生再生能量的特殊工况。在分析了国内外针对该能量 的不同利用思想后，本文拟采取通过将再生能量馈入电网，而实现电梯节能的目 的。该方法基于电能变换技术，故本文重点讨论分析了并网用逆变器及其驱动波 形调制技术。 在确定了再生能量利用方式后，本文确定了节能电梯再生能量馈网系统的总 体设计方案，对各功能模块做出了具体区分。结合各模块拟实现的功能，本文给 出了具体的电路原理设计。 在系统设计的基础上，本文对逆变模块及并网系统分别进行了数学模犁分 析，并建立有相应的系统模型。在对比分析了采用不同滤波形式的并网系统后， 本文选择了采用带l c l 滤波的并网模式，并对l c l 滤波器的相关参数设计做了 进一步的分析与整定。 本文还重点分析了系统的控制策略。对比分析了不同电流反馈下，系统的稳 定性。确定了采用电容电流内环反馈，输出电流外环反馈的双闭环反馈策略；并 对该策略下，相关参数的配置情况做了相应分析与整定i 最后，本文在m a t l a b 软件下，对上面设计的馈网系统及其控制策略进行了 系统试验仿真。从试验仿真结果看，系统在双闭环控制f ，能够稳定跟踪输出， 输出的电流谐波含量满足入网要求。从对比分析采用不i 司并网模式下的试验结果 看，采用l c l 滤波的并网模式，输出的电流谐波含量漫著小于其他方式。 全文完整设计了节能电梯再生能量馈网系统。电路原理i 殳计简洁、清晰、可 靠；控制策略稳定、精确，较好的实现了电梯再生能量的馈网回收利用。 关键词：节能电梯逆变器正弦脉宽调制再生能量馈网l c l 滤波器 武汉理1 ：人学硕十学位论文 a b s t r a c t t h e a p p l i c a t i o n sa n dd e v e l o p m e n t so fe l e v a t o re n e r g yc o n s e r v a t i o nt e c h n o l o g y c a l li m p r o v et h ee l e c t r i c a le n e r g yc o n s u m p t i o nn o t a b l y , a n dh a sa g r e a ts i g n i f i c a n c ei n e n e r g yc o n s e r v a t i o n a tp r e s e n t ，t h ev e r t i c a le l e v a t o rg e n e r a l l yu s e st h ew a yo f i n p u t i n ge n e r g yr e s i s t a n c e ，s oa st oc o n s u m er e n e w a b l ee n e r g yi ns p e c i a lc o n d i t i o n ， a n dt h e na v o i d st h ed a m a g eo ft h ee n e r g yt oo t h e rd e v i c e s a l t h o u g ht h i s a p p r o a c h a d d r e s s e st h ea d v e r s ee f f e c t so fr e n e w a b l ee n e r g y , b u tt h er e s i s t a n c eh e a t i n g a g g r a v a t e st h ew o r k i n ge n v i r o n m e n to ft h ee l e v a t o r , a n dt h ec o n f i g u r a t i o no ft h ea i r c o n d i t i o n i n gs y s t e ma l s ob r i n g st h es e c o n d a r ye n e r g yc o n s u m p t i o n t h i sp a p e r a n a l y z e st h er e n e w a b l ee n e r g yo ft h ee l e v a t o ra n df e e d b a c kt e c h n o l o g y t h em a i n c o n t e n t sa r ea sf o l l o w ： f i r s t ，i ta n a l y z e st h es p e c i a ls t a t e so ft h ee l e v a t o rp r o d u c e i n gr e n e w a b l ee n e r g y t h r o u g hs t u d y i n gt h ed i f f e r e n tu s e so ft h i se n n e g ya th o m ea n db r o a d ，t h i sp a p e rt a k e s am e a s u r ew h i c hf e e d b a c k st h er e n e w a b l e e n e r g yi n t ot h eg r i d ，i no r d e rt or e a l i z et h e p u r p o s eo fe n e r g yc o n s e r v a t i o n t h em e t h o di sb a s e do np o w e rc o n v e r s i o nt e c h n o l o g y , s ot h i sa r t i c l ef o c u s e so ni n v e r t o ru s e di ne n e r g yf e e d b a c ki ng r i da n di t sw a v e f o r me m o d u l a t i n gt e c h n o l o g y s e c o n d ，t h r o u g ht h eu s i n gp a t t e r n so fr e n e w a b l ee n e r g y , t h i sp a p e rd r a wt h e d e s i g np r o g r a mo ft h er e n e w a b l ee n e r g y 酊d c o n n e c t e do fe l e v a t o rs y s t e m ，a n dm a k e o u tt h es p e c i f i cd i s t i n c t i o nb e t w e e nf u n c t i o n a lm o d u l e s c o m b i n i n gt h ef u n c t i o n so f e a c hm o d u l et ob er e a l i z e d ，i ta l s od e t e r m i n e st h es p e c i f i cc i r c u i td e s i g ni nt h i sa r t i c l e o nb a s i so ft h es y s t e md e s i g n ，t h ea u t h o r sa n a l y z et h ei n v e r t e rm o d u l ea n d 鲥d c o n n e c t e ds y s t e mw i t hm a t h e m a t i c a lm o d e l sr e s p e c t i v e l y , a n d e s t a b l i s ha c o r r e s p o n d i n gs y s t e m m o d e l w i t ht h e c o m p a r a t i v ea n a l y s i s o fd i f f e r e n t 鲥d c o n n e c t e ds y s t e mt h a tu s et h ed i f f e r e n tf o r m so ff i l t e r , t h i sp a p e rf i n a l l yc h o o s e t h eg r i dp a t t e r nw i t hl c lf i l t e r , a n dt h e nd of u r t h e ra n a l y s i sa n dt u n i n gt ol c lf i l t e r d e s i g np a r a m e t e r s t h i r d ，t h i sp a p e ra l s oa n a l y z e st h ec o n t r o ls t r a t e g i e so ft h es y s t e m ，a n dd os o m e r e a r c ha b o u tt h es t a b i l i t yo ft h es y s t e mi nd if f e r e n tc u r r e n tf e e d b a c k t h e ni tc a r r y s o u tt h ed o u b l e l o o pf e e d b a c ks t m t e g yw h i c ht h ei n n e rl o o pf e e db a c kc a p a c i t a n c e a n de l e c t r i cs l i d e ，a n dt h eo u t e rl o o pf e e db a c ko u t p u tc u r r e n t ，a n dt h e nd os o m e a n a l y s i sa n dt u n i n ga b o u tt h i ss t r a t e g y f i n a l l y , w i t ht h em a t l a bs o f t w a r e , t h i sp a p e rd o e ss o m es y s t e ms i m u l a t i o n 武汉理l ：人学硕十学位论文 e x p e r i m e n t so nt h ef e e d b a c kg r i d - c o n n e c t e ds y s t e md e s i g na n di t s c o n t r o ls t r a t e g i e s r e s u l tf r o ms i m u l a t i o ne x p e r i m e n t s ，t h es y s t e r mc a nt r a c eo u t p u ts t e a d l yu n d e rt h e t w o l o o pc o n t r o ls y s t e m ，a n dt h eo u t p u tc u r r e n th a r m o n i c sc o n t e n tc a nm e e tt h e g r i d c o n n e c t e dr e q u i r e m e n t s t h er e s u l tf r o mt h ec o m p a r a t i v ea n a l y s i so fd i f f e r e n t 鲥d c o n n e c t e dm o d et e s t ss h o w st h a t ，u s i n gt h e 面d c o n n e c t e dm o d e lo fl c lf i l t e r , t h eo u t p u tc u r r e n th a r m o n i cc o n t e n ti ss i g n i f i c a n t l yl e s st h a no t h e rm e t h o d s i nt h i s p a p e r , t h ea u t h o rd e s i g n st h ee n e r g yc o n s e r v a t i o ne l e v a t o rs y s t e mo f r e n e w a b l ee n e r g yf e e d b a c kg r i d - c o n n e c t e d t h ec i r c u i td e s i g ni ss i m p l e ，c l e a ra n d r e l i a b l e ，t h ec o n t r o ls t r a t e g i e sa r ea l s os t a b l ea n da c c u r a t e i tc a na c t u a l i z et h e e l e v a t o rr e n e w a b l ee n e r g yf e e d b a c kg r i d - c o n n e c t e do fr e c y c l i n gb e t t e r k e yw o r d s ：e n e r g yc o n s e r v a t i o ne l e v a t o r , i n v e r t o r , s p w m ，g r i d - c o n n e c t e d ， l c l - f i l t e r 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及 取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得 武汉理工大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一 同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说 明并表示了谢意。 研究生( 签名) ：卫习笪壁翌 日期：也 ! ：望 学位论文使用授权书 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定， 即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电 子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权武汉理工大学可以将本 学位论文的全部内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、 缩印或其他复制手段保存或汇编本学位论文。同时授权经武汉理 工大学认可的国家有关机构或论文数据库使用或收录本学位论 文，并向社会公众提供信息服务。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 黜c ：遍名，喇期一 1 1 引言 第1 章绪论 能源是当今社会的一个热点问题，由于能源的供给f 1 趋紧张，各国政府都 不同程度的对开发新能源，节约现有能源作出自己的努力。我国政府也明确指 出，我国正在而且将长期面临着能源短缺和紧张的问题，号召“全面建设节约 型社会”，并在“十一五”规划中特别注重“节能”问题，甚至还出台了可再 生能源法，绿色建筑技术导则等相关法律法规。 在现有能源中，电能是使用最常见的一种的能源方式。它广泛应用于现代 工业，交通，及建筑等三大领域；因而针对现代建筑的节能技术开发与应用， 对节约电能意义重大。即将在上海举办的世博会，多个国家的展馆都不同程度 融入了自己对建筑节能的思考。如德国的标志性腱馆“汉堡之家”，通过应川高 能效的建筑材料，以及可再生能源技术，使该馆f i 依靠外部电力而达到调节室 温的目的；再如中国的“东方之冠”展馆，通过采j 太阳能等新型能源，及高 效的电气节能控制技术，使场馆能耗的8 0 依靠f i 给自足。 作为现代高层建筑中不可缺少的电器电梯，对现代建筑文明作出了臣 大贡献。但是，在建筑电器中，它却占据着总能耗的2 0 3 0 。与此同时，相 对其它电器进行的不同程度节能技术改造，电梯的1 了能技术却没有多少进展。 电梯己然成为现代高层建筑中最大“电老虎”之一；而国家在电梯领域制 定的相关强制性法规，却主要体现在电梯的质黾安全等方面。对电梯能耗及节 能技术等，却没有明确的强制性规定。因而针对 乜梯的建筑节能，一直处了二空 缺状念。 2 0 0 9 年，在来自我国电梯行业的统计显示，| | 日内使用的电梯总量人约 在1 2 0 万台，而且将以2 0 力台每年的增长量呈上丁f 趋势。从这些使用的电梯来 看，r 系的电梯数量占六成左右，欧系的占三成l i f ，：但是其中采用了节能技 术的还不到2 t2 1 。因而，针对电梯领域的节能技术j i ：发，市场广阔且迫在屑睫。 当前，开展电梯节能技术研究，主要体现在以卜儿个方面【3 h 4 1 。 ( 1 ) 通过提高电梯机械运行效率，进而节约能源。通常电梯曳引轮与电机 之间，设置有变速装置。变速装置因摩擦，发热等，将不同程度的减小电梯系 武汉理i ：人学硕士学位论文 统的电能利用率。电机效率，也决定了电梯系统的电能利用率。故该方向的研 究，主要体现在改进传动系统，以及电机效率。 目前先进的电梯，采用了无齿轮传动技术，减少了传动系统的能耗。而电 机采用永磁同步电机，节约了励磁电能。以上技术，整体能够提高电梯2 0 左 右的电能利用率。 ( 2 ) 在高层住宅、办公楼层中，通常安装有两台以上电梯，电梯的客流往 往也呈现着一定的特点。通过统计分析客流及群梯的调度情况，有针对的设计 相应的调度策略，能够使电梯在相同运行条件下，达到更大客流载送率。从而 节约电梯运行次数，即节约电梯能耗。 该方向的研究因对象的不同，有着不同的设计。故通用性不强，研究范围 也不太大。 ( 3 ) 目前使用的电梯广泛采用变频技术驱动电机。此类电梯，在部分情况 下运行时，电机能够产生一定的制动能量。由于该能量无法馈入电例，而在驱 动部分移：聚，对驱动器件造成一定威胁。在这种情况下，通常采用投入能耗电 阻，通过电阻的发热而将这部分能量散失掉，进而保护器件。 对这部分再生能量的收集与利用，成为电梯节能领域的一个热点研究方向。 其中，采用逆变器将该能量逆变后馈入电网的思想，是本文设计的i 发点。 ( 4 ) 电梯作为建筑的一部分，对建筑空间的节省也成为电梯节能的一个方 面。这方面的研究主要是针对电梯的井道空间，及机房空j 目j 的利h 1 效率。目自 市场上有比较先进的无机房电梯，以及双梯并井电梯等。 1 2 课题研究意义 在采j j 变频技术驱动的垂直载客电梯运行过程中，存在两个特殊的【作状 念( 下简称特殊工况) ：轻载上行和重载下行。在这两个特殊工况f ，电梯的 乜 机实际处j ：b 0 动发电状念，会产卜。定量的再生电能。因为变频器限制了能超 的单棚流动，故这部分再，j i 电能小能| l j l 馈入电网。 出于对器件的保护等目的，在实际应用中，这部分屯能通常采用投入能牦 制动电发热而消耗掉。直接采用r 乜阻发热的方式，虽然技术简币，造价便f f ： f i i 是电l ；h 发热不仪恶化了电梯机房的工作环境，而且浪费能量。此外，为维持 机房的f ：作环境，而设置的空调系统，还将额外消耗电能。 曾经有电梯，产企业，针对该种电梯在特殊工况下的再生能量，做过相关 2 武汉理1 ：人学硕十学位论文 的试验。测试对象为一部普通商住楼电梯，经过统计分析，该电梯在特殊工况 下，一年大约再生电能3 万度左右【5 】。同时表明，楼层越高，速度越快的电梯， 再生能量越大。因而电梯在特殊工况下的再生能量，数量巨大，完全可以回收 利用。 从目前国外开发的节能试验样机测试数据来看，针对陔部分再生能量的回 收利用，将节约电梯2 0 0 0 , - - - 4 6 的能耗，这对现代建筑而言，意义十分重大而且 势在必行。 因而，电梯再生能量网收利用技术，成为目前电梯节能领域的热点研究课 题之一。由于电梯再生的能鼍为高压直流电能，需要经过转化才能为其他电器 使用。目前比较热门的研究思想是，将该电能逆变为通用电能，馈入电网或供 给其他用电电器。该技术涉及电力电子，电网，自动控制等多个学科；其中再 生能量的转化，转化后的电能质量，输出电能的功率调节等成为该技术研究的 重点问题。 由前所述，我因电梯使用数鼍巨大，但国内企业，t 产比例小。除去国家在 电梯领域的工业步伐起步晚等原因外，缺乏核心技术一直制约着国有电梯企业。 但是，在节能技术的研发l ，却是同国外企业同时进行的，虽然国内企业投资 额，研发环境等方面同问外企业还存在一定差距。力争取得电梯节能关键技术， 已经成为国有电梯企、j p 努j 的方向。 还有将电梯再q i 能逯经过转化后，馈入咆网的研究，同目前正在开发的风 电，光电等新型能源jt 发利用领域存在共同之处，可以相互借鉴。在某些动力 机械出厂测试等领域，也存在类似电梯这样的再生能量，该课题的研发，同样 对这些领域提供参考。 针对电梯再生能量转化利j j 技术的研发及使用，也将对电梯行业的国家标 准制定提供基础。 1 3 国内外研究现状 目前，国外诌：多知私i 乜梯企业都矗：我【马设有工厂，针对我闷的电梯产品也 多在国内设计与生产。我l | 4 已经成为幽际电梯i 狞场的一个重要地区，因而电梯 业内的相关先进技术研究及成果，在国内均能得见。 在电梯节能技术方l 百i 的研究，日自玎国内外主要存在两种解决方案：逆变后 馈入电网及逆变后就近供给其他电别6 1 q 9 1 。 3 武汉理i ：人学硕十学位论文 对电梯再生能量转化后就近供给的典型研发应用案例，如日本三菱公司生 产的混合动力电梯。在设计中，该公司采用蓄电池储存电梯的再生能量。在电 梯正常工作状态下，蓄电池同动力线一同供电给电梯。而且在停电后，该电梯 还能靠蓄电池正常运行约十分钟。该技术能够节约电梯能耗约2 0 。 该方式还可以扩展，将蓄电池中电能供给电梯照明、风扇等小功率电器使 用。更广泛的情况下，该电能还可以供给安装电梯的小区其他电器使用。 采用电池蓄电的方式，结构设计简单，易于实现；由于不考虑转化后的电 能馈网等问题，系统控制简单。但是电池的购置，系统整体的效率不高等问题 却制约该技术的广泛使用。 将再生电能转化后，馈入电网的研究，是目前电梯再生能量节能利用技术 研究的另一主要方向。由于要将电能馈入电网，而入网的电能需要满足一定的 质量强制要求。冈而，该技术需要解决电能转换后的质量问题，具体涉及逆变 技术及其控制，中小功率的逆变技术目f i i 碉外基本趋于成熟。逆变的电能馈入 电网还需考虑馈悯系统( 即并网系统) 的设计，这方面的研究国内外文献比较 多，也成为国内外研究的重点之。 由于国内已经使用的电梯数量巨大，当前很多企业及研究机构，提出将逆 变馈网设计外置化。如此一来，针对现有电梯的节能改造技术迎刃而解。围外 电梯企业已经生广：出部分外置装置，由于我国电网同国外电网存在一定的兹异， 该装置不能应用在国内电梯上。而针对中困市场开发的装置，如门本富上的 f r e n i c 系列的再， i 能量馈网单元；西子奥的斯、上海三菱等公司生产的含馈网 单元的电梯；由于不能完全达到馈网电能质量标准，特别是谐波含鼍过商，还 有造价过高等原闵，目前电梯再尘能量馈网技术的研究还不能实现民用，处f 试验研究阶段。 但足，采用馈网肖能的设计思想，电梯整体节能效率通常在2 0 4 6 之i h j ， 远远高于f j 订述节能技术，且应用范罔更广泛，故而该技术的研究趋热。 作为陔节能技术的关键之一，足逆变器的设计及控制。随着电力电f 的4 i 断发展，逆变器采j 】的功率器件，已经山最一出现的晶闸管( s c r ) ，发展剑今 天的i j 控绝缘栅舣极性晶体管( i g b t ) 。这j f 兰器件的出现，为搭建电梯再牛能量 馈网系统硬件平台提供了条件。 此外，逆变器的控制技术，也随着全控器件的推出，而不断发展。f 1 自玎像 电梯再乍能量馈网逆，叟技术这样的应用场合，适合采用脉冲宽度调制( p u l s e w i d t hm o d u l a t i o n ，p w m ) 控制方式。对该理论，在第二章将作具体论述。 4 武汉理1 ：人学硕士学位论文 - 全控型器件以及脉冲宽度调制技术的产生，为电梯再生能量馈网，实现节 能的目的成为可能。 1 4 主要研究内容 本文以垂直载客电梯再生能量作为研究对象，针对该部分能量，设计逆变 系统，实现电梯节能目的。具体为以下几部分： ( 1 ) 对电梯再生能量的产生过程进行具体分析。电梯在运行过程中，产生 再生能量的特殊工况，同电机运行特性、电梯机械结构、载客情况均相关。本 文从以上方面，分析电梯的能量流及再生能量。 ( 2 ) 分析逆变器的拓扑结构及波形调制理论。结合电梯再生能量的分析， 选择合适的逆变结构及调制方案。同时，分析各方式下的并网结构。 ( 3 ) 讨沦爷能电梯的构件，分析电梯再生能量馈网系统( 以下在不致混淆 的地方简称馈网系统，或并网系统) 的设计需求。本文结合总体设计需求，对 馈网系统进行模块化设计，分析各模块设计内容，并设计原理电路图。其中， 控制部分核心基于d s p 芯片t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 设计，逆变部分基于i g b t 功牢 器件及其驱动芯片e x b 8 4 1 设计。 ( 4 ) 结合 ：文选定的逆变结构及并网系统，分析系统的数学模型。讨论并 设计相应的闭环控制策略，分析陔策略下系统的稳定性及系统特性的改善情况。 讨论滤波电路的设计及器件参数选择原则。 ( 5 ) 针对f ：部分设计的电梯再生能量馈网系统模型，在m a t l a b 中进行系统 仿真，验证系统没计的可行性，并分析馈网能量的质量。 。 武汉理工大学硕+ 学位论文 第2 章电梯再生能量馈网系统总体结构设计 由于采用了变频等相关技术，电梯系统效率较过去已经有了较大改善。垂直 电梯在两种特殊工况下会产生一定电能，针对该能量丌发的节能技术，势必会再 次提高电梯的系统效率。本章重点分析此部分能量的再生问题，并讨论技术方案 与可行性问题。 2 1 电梯系统及再生能量分析 2 1 1 电梯系统 电梯是典型的机电一体化产品，在现代高层建筑中，使用最多的是曳引式电 梯【10 1 。故本课题选择研究的电梯产品为垂直载客曳引式电梯，即垂直电梯。图 2 1 为此类电梯机械结构简图。 控 制 柜 重 图2 1 曳引式电梯机械结构简图 垂直电梯的电。e 控制部分主要包括以下组件：主控制器，呼梯控制器，轿厢 控制器等部分。当乘客需要乘坐电梯，可以通过呼梯控制系统传递呼叫信：进 入轿厢后，乘客通过轿厢控制系统传递选层信号。主控制器主要负责采集各部件 信号，进行综合运算判断，且给出运算结果，驱动变频器做出相应动作。 机械部分主要包括：电动机，传动系统，轿厢体及对重等部件。电动机通过 变频器输出的电力转动，通过传动系统带动曳引轮旋转，从而曳引箱体上下运行。 对重主要用来平衡箱体和部分载客重量，平衡曳引轮左右重量。通常，配重 6 武汉理j r 人学硕十学f 7 ：论文 重量为箱体重量与一半额定载重重量之和。 目前电梯采用的电机多为交流异步电机，出于提高电梯利用效率、节约电能 等目的，调速系统多采用变频变压方式( v w f ) 。图2 2 为v w f 调速方式下 电梯动力部分结构图。 三相整流 变频器 图2 2v v v f 调速电梯动力结构简图 从图2 2 中可以看出，电网三相交流电，通过三种1 整流器整流后成为直流电， 加载在逆变桥两端。当需要驱动电机转动时，变频器内逆变桥驱动部分，通过驱 动逆变桥各桥臂丌与关，产生相应电压及频率的薹相交流电驱动电机。不同的电 机转速，可以通过输出不同的逆变桥驱动波形实现。 作为载客用途的电梯，需要考虑乘客乘坐电梯时的舒适程度与平层精度。在 相关考虑因素中，电梯速度变化是最重要因素之一。这也是v v v f 技术发展的 原因之一。理想的速度曲线，加速段和减速段应该十 等。图2 3 为理想的电梯速 度曲线。 2 时间t s 图2 3 理想电梯速度曲线 从图2 3 可以看出，电梯运行过程中，速度都足从零速度加速到运 j 二速度， 停靠前，减速到零速度。通常，加速度时| 、只j 和减速艘时f h j 相等，故加速度变化率 ! j 减速度变化率也绝埘值相等。但是实际运行的电梯根据运行的楼层特点，可能 为加速到高速运行也町能低速运行。 2 1 2 电梯再生能量与能量流分析 上节分析了电梯系统及其调速技术。作为机械动力源的交流异步电机，其固 有机械特性【见图2 - 4 。从图2 4 可知，当三相电源为正相序时，电机存在以下 7 武汉理l ：人学硕十：学位论文 特点。 ( 1 ) 当电机输出转速刀 咒时，见图中第1 i 象限曲线。此时电机的电磁转矩 为负值，故输出的电磁功率为负功率，即电机实际处于发电状态。从图中还可以 看出，异步电机电动与发电状态的机械特性存在对称性。 ( 3 ) 当电机输出转速行 铡 壁 电动机 图2 - 6 电动机处于发电状态能量流 图2 5 与图2 - 6 展示了电梯电机处于电动与发电状态时，两种不同工态下， 能量流动的方向。 2 2 电梯再生能量馈网系统结构分析 电梯馈网系统，主要致力于将电梯特殊工况下的再生能量，经过转换处理达 标后馈入电网，从而实现i 乜能回收利用的节能目的。目前节能电梯还没有相关国 家技术标准要求，行业内认定的相关内容为节能比例、控制技术、功能可扩展陀、 通讯技术、知识产权等。 本实验室同湖北省随州市汇野电器电梯有限公司，合作丌发了新型智能电 梯主控制器及其配套装爵研制项目。该项目已成功研制了电梯电气控制部分椭 关组件，现已投入实际运行使用。该项目已解决或i f 在解决控制技术，通信技术， 功能可扩展性，知识产丰义等节能电梯相关标准内容。本课题研究的内容，属j 二该 项目延伸方向，主要毁jj ：节能电梯的节能比例目标。 本课题拟设计的馈嘲系统主要包括控制器、逆变器、并网滤波单元等部分。 各部分主要解决内容如卜： ( 1 ) 控制器部分赴馈纠系统的控制核心，主要实现：交直流电压r 乜流信i 多 的采集与处理；逆变桥的驱动信号调制：系统运行的实时声光信号控制；电梯 i 控制系统、监控系统的数捌传输等任务。 ( 2 ) 逆变器部分是# i - 乍能量转换的主要部件，是馈网系统的控制主体。通 过控制器输出的驱动信号，逆变桥将再生能量( 直流电j e 形式) 转换成可以入网 的交流电能。我国对入网的交流电质量有相应的质量标准，如下表2 1 所示国家 电网入网电流质量强制要求i i 引。 9 武汉理。1 ：人学硕十学位论文 表2 1 并网电流谐波含量国家强制标准 奇次谐波( 次)畸变率( ) 偶次谐波( 次)畸变率( ) 3 9 4 02 8 1 o 1 l 1 5 2 0 1 0 3 2 o 5 l7 2 1 1 时，称为过调。通常，应使系统处于线 性渊制，则有逆变器输出电压幅值u 。* m 且电压波形跟随参考输入波形“。 输 的谐波分布也十分规则。而在过调制区，4 、雕满足这些规则。 下面柬分析在线性调制f ，输出电压的谐波分布情况。首先分析输出电压情 况为利于下面分析特取直流母线侧两电容重点作为输出二相电压零电压参考 点n ，见图2 7 中所示。两电容容值相等，故两端电压均为u 。2 。 由f 驱动逆变器a 相桥臂的两驱动波形互异，当a 相开关z 开通时，则随 之关闭。故可知，由上文所述调制波形驱动各相桥臂开关时，有如下输出电压波 形，见劂2 - 9 所示。 武汉理 ：大学硕士学何论文 1 1 a 、上 0 l i b , 0 7 ur 、 图2 - 9 逆变器输出各相电压波形 图2 - 9 所示波形为各相输出电压相对零电压参考点n 的波形。对以上波形进 行傅立叶变换后，能够得出以f 结论。 ( 1 ) 各相输出电压基波幅值为半m u 。 当取最大线性调制深度时即m = 1 时，有： “。、= 4 3 2 , , d 。o8 7 u 式( 2 2 ) 其中“。瓣中r 对应口，b ，c ，分别为各相输出电压基波幅值。 由式( 2 2 ) 可知，在麻用s p w m 电压型逆变器时，直流母线电压利用率最 大值仅8 7 。 ( 2 ) 各相输出电压谐波频率j 要分女，为： 厂= “蚺 ( 式2 - 3 ) 其中为载波频率，f 为某相参考调制波频率。式( 2 - 3 ) 中，参数n ，k 取 值为： 当i = 1 , 3 , 5 时，k = 3 ( 2 m i m = 1 , 2 ，3 ； 当n = 2 ，4 , 6 时k = 6 m + l ，m = o , 1 ，2 ：或k = 6 m l ，r a = 1 , 2 ，3 。 由式( 2 3 ) 可以看出，逆变器a 相输出电压中既包含a 相调制波h 。相 应频率分量，又包含载波十1 1 应频率分量。当载波频率，与调制波频率f 2 _ t t 满足3 l ( ，为正整数) 倍时，逆变器输出的各相电压中将存在基波频率3 ，倍频的 谐波，而3 ，倍频l 皆波竹量，都属j _ 零序分量，即输出各项中部不含3 的倍数次谐 波。 m 干本文设计中参考调制波频率f 为工频，载波频率f 越高时，输出的谐 波频率将远高于工频频率，谐波幅值也将减小，对逆变器输出电压或电流质量有 利。但是提高载波频率，实际上也是提高开关频率( 从圈2 撂中不难看出，开 关频率实际等于载波频率) 。，i 。关频率越高，逆变器的丌关损耗也将增大，使逆 武汉理i ：人学硕 ：学位论文 变器转换效率下降，故载波频率丘需要综合考虑。 2 3 2 电压型逆变器并网系统技术分析 上节分析了三相电压型逆变器及s p w m 调制相关问题。直流母线电压经逆 变器后，变换为图2 - 9 所示电压。该电压在并网前，需要考虑逆变输出电流与电 网电压相位关系以及滤波器等器件的设计。下图2 1 0 为采用l c l 滤波结构的电 压型逆变器并网系统简刚1 7 h 2 。 在图2 1 0 中，主要标注了a 相的相关元件符号。其中a 相l c 滤波器中逆 变器侧电感为。，其内阻为r 。；网侧电感为厶，其内阻为r 。；滤波电容为c d 。 n 图2 1 0 三相电压型逆变器l c l 滤波并网系统结构简图 由于设计的l c l 滤波器主要针对丌关频率处的谐波，而丌关频率通常远高 于工频频率，故考虑图2 1 0i 】a 梢的：【频并网电压打。与电流乞的矢量关系时， 可以简化表示如下图2 1 l 所示。 i 。r 。 图2 1 1 逆变器并网电压电流矢量简图 图2 1 1 中a 相线路及电感内阻产生的电压降阳量为五。= i ；总电感产生oor 的工频电j l i 降向量为打。= i , , o u r l ；向量西。是a 柑电网电压向量。为使馈网功率 洲数近似为1 ，应该使输 i r ej t ：, 玉。与电流j 。向量满足该图所示矢量关系。 在设计滤波电路时，电感的墩值的大小将影响电压向量如。+ 打，的大小，从 而影响逆变器输出功率凶数。但是呵以通过调节输出电压，进而控制输出电流及 输出功率。 以上部分，分析了电压型逆变器及其s p w m 调制波，以及电压型逆变器输 出并网系统。现将电压型s p w m 逆变器并网系统主要呈现特点小节如下： 武汉理i ：人学硕士学位论文 ( 1 ) 直流母线上，由于并联投入有大电容器，因而可以将直流母线等效为 内阻较小的直流电压源，输出电压基本无脉动。 ( 2 ) 由于直流母线电压考虑为恒定电压，故逆变器输出的电压为矩形波电 压，且基本与负载无关。 ( 3 ) 在线性调制范围内，逆变器输出的电压才跟踪调制波；在最大线性调 制时，直流母线的最大利用率仅8 7 ，。 ( 4 ) 采用l c l 滤波并嘲结构时，滤波器感抗值将影响逆变器输出功率因数。 2 3 3 其他电压型逆变技术分析 上文在分析s p w m 调制技术时，曾提到在m 1 时，逆变器输出电压不再同 调制波成线性比例关系，因而不利于对输出电压的控制。准j 下弦脉宽调制技术在 调制波“。中叠加3 次谐波后再作为调制波，能够解决该问题，且能提高直流母 线的电压利用率。 下图2 1 2 显示了准正弦脉宽调制用合成波形图。图中“，为工频的一弦波， “，为3 倍工频正弦波，“，为合成调制波。 图2 1 2 准正弦脉宽调制用合成波型图 因为调制波叠加了一部分三次谐波，故逆变器输出电妇i 也将叠加相应的三次 谐波。由前面分析可知，二王次谐波属于零序分量，故叠加的三次谐波并不会产，| 谐波电流。 设u ，l = us i n ( m r ) ，“一= u k s i n ( 3 n r t ) ，则合成波形电压为： “，= “s i n ( 砑) + u k s i n ( 3 w t ) 式( 2 4 ) 将了l = ( 2 4 ) 对刃求导，并令导数为零；将此角频率代入式( 2 4 ) 可以求出合成 波u ，的最大值幅值。 。硼( 等卜 式协5 ， 由图2 1 2 可知，k 的取值应该使u ，取最小值为最佳。将式( 2 5 ) 对k 求 导，并令导数等于令，可以求得足= 6 时，则有“，m 。的最小值： 1 4 武汉理1 二入学硕十学位论文 “，= “0 8 6 6 u 、式( 2 - 6 ) m a x t r 妇 3 0 0 u0 “r 2 i “ 、武l ， z 由式( 2 6 ) 可以看出，当调制波u ，。中叠加幅值为其l 6 的三次谐波“，后， 合成调制波的幅值最大值仅相当于调制波“，的3 2 ，因而调制深度最大可以达 到2 3m 1 1 5 m ，即在调制不出现饱和的情况下，使输出电压的基波电压产 生1 5 是电压增量，提高了逆变器的利用效率。 此外，当采用s v p w m 调制技术时，直流母线电压利用率能够提升到1 0 0 。 2 3 4 电流型逆变技术及并网系统分析 电流型逆变器，逆变电源性质为电流源，因而需要在直流母线上串入一大电 感。如下图2 1 3 所示，三相电流型逆变器拓扑结构图。对比图2 7 分析，可知， 由于直流母线串入了大电感，使得输出电流恒定。直流母线侧可以等效一电流恒 定的电流源。 l 图2 1 3 三相电流型逆变器及并网结构简图 在图2 1 3 中，功率丌关器件啊呱采取12 0 导通方式。按照啊至的 顺序依次间隔6 0 依次丌通，这样上三桥臂啊、啊、亿与f 三桥臂嘎、 亿在每个时刻将各仃一个导通。由于直流侧相当j 电流恒定的电流源，故输出 电流波形与负载无牛h 天性，三相电流均为宽度为1 2 0 的一负矩形波。 对输出电流进行傅：菠叶变换分析能够得出如下关系： l ：- - g 卜- z ：一8 7 i d 0 8 l “l 22 其中，i 为逆变器输f l 电流基波有效值；i d 为直流博线电流。 由于直流母线电流变化很小，可以忽略平滑电感l j ：的门j 降，于足母线电压 u 。! ja 相输出电j “。之f h j 有如下关系： u a2 丽 式( 2 8 式中缈为负载功率角。 由式( 2 7 ) 和式( 2 8 ) 可以推导出并网状态下，逆变器输出功率。此外还 可以看出，当需要改变输出功率时，只有调节负载功率角缈，因为直流母线电流 1 5 武汉理下人学硕十j 学位论文 基本不变。故采用电流型逆变器控制调节范围十分小，不太利于并网应用。 通过以上分析，可以归纳出电流型逆变器并网系统主要特点： ( 1 ) 直流母线串联大电感，平滑电流，相当于电流源。直流侧内阻呈现高 阻抗。 ( 2 ) 逆变器输出侧因为母线电流的恒定，输出电流呈现矩形波，与负载阻 抗性质无关。而电压波形则与负载性质相关。 ( 3 ) 直流侧大电感能对无功能量起缓冲作用。由于直流侧电流恒定，因而 开关器件不需反并入续流二极管。 2 3 5 电压型与电流型逆变器比较 2 3 1 节至2 3 4 节，主要分析了电压型与电流型逆变器及并网系统。从逆变 器输出来看，电压型逆变器输出电压矩形波，而负载电流却呈现j 下弦波。该方式 下需设计相应的驱动电压波形，且功率丌关将不可避免的带来相应功率损耗。此 外，在s p w m 调制方式下，电压型逆变器输 电压与直流母线电压，调制深度m 相关联；直流母线电压利用率不充分。因而此类逆变技术目前均只应用在中小功 率范围。 电流逆变器输出电流为矩形波，负载电压呈现方波。因而低频谐波含量比较 大，对并网不利。由于电流型逆变器使用的丌火器件便。南：及控制技术简单，因而 目前主要使用在大功率下。因而开关器件的散热和损耗鄙成为设计难点。 针对本课题设计需求来看，由于分析的电梯系统电机功率为1 7 5 k w ，再生 电能功率属于中小功率范围，故比较适合采用电压型逆变方式。 2 4 馈网系统转换效率分析 馈网系统的节能效率，同逆变器的转换效牢卣接相关。上节分析的逆变方案 中，当采用不同的调制策略时，逆变器的功率损耗不相卜d ；此外，采用不同的功 率丌关器件，器件的损耗情况也不一样。本节主要从分析功率器件的功率损耗情 况着手，分析馈网系统的转换效率问题。 通常，功率丌