專(zhuān)利名稱(chēng)：用于電梯的混合儲(chǔ)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(chǔ)能裝置及其控制方法，特別涉及用于電梯的混合儲(chǔ)能裝置及其控制方法。
背景技術(shù)：
在電梯的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中，一般采用變頻器驅(qū)動(dòng)方式。將電網(wǎng)直接整流，并匯流到直流母線(xiàn)，形成一個(gè)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(dòng)電梯電機(jī)。在這個(gè)供電系統(tǒng)中，由于電機(jī)的較強(qiáng)非線(xiàn)性，在啟動(dòng)、加速的過(guò)程中會(huì)從直流母線(xiàn)吸取較大的功率，導(dǎo)致母線(xiàn)電壓降低；而在停機(jī)、減速的過(guò)程中又會(huì)因?yàn)殡姍C(jī)處于發(fā)電狀態(tài)而向直流母線(xiàn)饋電，導(dǎo)致母線(xiàn)電壓升高。直流母線(xiàn)電壓波動(dòng)過(guò)大，會(huì)影響變頻器及電梯輔助設(shè)備的工作性能。因此，一般要在直流母線(xiàn)間配置能量泄放回路，但會(huì)造成較大的能量損耗，降低了系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性。
此外，當(dāng)電網(wǎng)停電、發(fā)生瞬時(shí)電壓跌落或中斷時(shí)，如果沒(méi)有備用能量支撐，變頻器及其輔助設(shè)備無(wú)法運(yùn)行，給人員、貨物和設(shè)備帶來(lái)不便甚至危險(xiǎn)。配置能量?jī)?chǔ)存裝置，如，可充電蓄電池、超級(jí)電容器、飛輪儲(chǔ)能裝置等，在電網(wǎng)停電或發(fā)生瞬時(shí)電壓跌落或中斷時(shí)，可以為直流母線(xiàn)提供一定時(shí)間的能量支撐，以保證人員和貨物到達(dá)安全的位置。此外，儲(chǔ)能裝置還可以起到功率緩沖器的作用。當(dāng)負(fù)載功率需求大時(shí)，儲(chǔ)能裝置輸出電能，與電網(wǎng)一起提供所需的功率，減少電網(wǎng)的功率輸出需求；在電機(jī)發(fā)生饋電時(shí)，儲(chǔ)能裝置吸收一部分功率，避免母線(xiàn)電壓過(guò)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(chǔ)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(xiàn)連接，或者通過(guò)充放電裝置與直流母線(xiàn)連接，作為系統(tǒng)的應(yīng)急電源或者功率緩沖器。美國(guó)專(zhuān)利US6457565B2公開(kāi)了一種電梯用應(yīng)急電源。電網(wǎng)經(jīng)過(guò)整流濾波后匯接到直流母線(xiàn)，采用可充電蓄電池作為儲(chǔ)能裝置，并通過(guò)可充電/放電的雙向功率變換器與直流母線(xiàn)連接，當(dāng)負(fù)荷較輕時(shí)，直流母線(xiàn)通過(guò)功率變換器給蓄電池充電。當(dāng)由于電機(jī)發(fā)生能量回饋而導(dǎo)致直流母線(xiàn)電壓升高時(shí)，直流母線(xiàn)通過(guò)功率變換器給蓄電池充電，并在負(fù)荷較重時(shí)釋放出來(lái)以起到功率緩沖的作用。當(dāng)電網(wǎng)停電，或者電網(wǎng)電壓發(fā)生短時(shí)的中斷或跌落時(shí)，蓄電池通過(guò)功率變換器釋放能量以維持直流母線(xiàn)電壓在正常的范圍內(nèi)，以保證系統(tǒng)的正常工作。
將可充電蓄電池作為應(yīng)急電源，存在一定的不足之處。首先，蓄電池在工作過(guò)程中電極活性物質(zhì)會(huì)發(fā)生化學(xué)變化，引起電極結(jié)構(gòu)的膨脹和收縮，導(dǎo)致蓄電池性能衰減。在電梯供電系統(tǒng)中，由于蓄電池要不斷地吸收或釋放能量，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(shí)間較長(zhǎng)，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(guò)很長(zhǎng)的時(shí)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(guò)很長(zhǎng)的恢復(fù)時(shí)間才能再次安全運(yùn)行。第三，蓄電池的功率密度較小，而電梯的功率一般較大，為了保證系統(tǒng)在電網(wǎng)停電時(shí)正常運(yùn)行，蓄電池需要輸出很大的功率。因此，在實(shí)際設(shè)計(jì)中，要配置容量很大的蓄電池組，以滿(mǎn)足負(fù)荷的功率需求，提高了系統(tǒng)的成本，降低了經(jīng)濟(jì)性。此外，蓄電池需要經(jīng)常維護(hù)，而且使用后的金屬材料不易處理，會(huì)造成較嚴(yán)重的環(huán)境污染。
超級(jí)電容器是近年來(lái)出現(xiàn)的一種新型儲(chǔ)能器件，目前一般認(rèn)為超級(jí)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(lèi)。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(chēng)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(lèi)電化學(xué)電容器。由于法拉第準(zhǔn)電容的產(chǎn)生機(jī)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(jí)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(guò)程始終是物理過(guò)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(zhǎng)。此外，超級(jí)電容器還具有高低溫性能良好、能量判斷簡(jiǎn)單準(zhǔn)確、無(wú)需維護(hù)和環(huán)境友好等諸多優(yōu)點(diǎn)，正日益發(fā)展成為一種高效、實(shí)用的能量?jī)?chǔ)存器件。
美國(guó)專(zhuān)利US6938733B2公開(kāi)了一種電梯應(yīng)急電源裝置，超級(jí)電容器組通過(guò)一種功率調(diào)節(jié)設(shè)備與直流母線(xiàn)相連。當(dāng)電網(wǎng)停電、電壓跌落或中斷時(shí)，超級(jí)電容器組通過(guò)功率調(diào)節(jié)設(shè)備向直流母線(xiàn)供電，以維持電機(jī)及電梯輔助設(shè)備的正常工作直至到達(dá)下一個(gè)樓層。超級(jí)電容器組通過(guò)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(xiàn)電壓穩(wěn)定而且處于正常的范圍內(nèi)。
盡管超級(jí)電容器具有很多優(yōu)點(diǎn)，但其缺點(diǎn)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(jí)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(chǔ)能。由于電梯的功率較大，持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)，如果采用超級(jí)電容器作為應(yīng)急電源，需要配置的容量很大，這樣會(huì)使設(shè)備過(guò)于龐大笨重。而且，目前超級(jí)電容器的價(jià)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(jì)性。
如果將超級(jí)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(jí)電容器功率密度大、循環(huán)壽命長(zhǎng)等特點(diǎn)相結(jié)合，無(wú)疑會(huì)給電力儲(chǔ)能帶來(lái)很大的性能提高。超混合儲(chǔ)能裝置具有較好的儲(chǔ)能能力和功率能力，能夠縮小儲(chǔ)能裝置的體積，改善可靠性。蓄電池通過(guò)一定的方式與超級(jí)電容器并聯(lián)工作，可以?xún)?yōu)化蓄電池的充放電過(guò)程，減少充放電循環(huán)次數(shù)，降低內(nèi)部損耗，增加放電時(shí)間，延長(zhǎng)使用壽命。采用超級(jí)電容器蓄電池儲(chǔ)能裝置，可以大幅度地提高系統(tǒng)的技術(shù)性能和經(jīng)濟(jì)性能，是解決目前電力儲(chǔ)能問(wèn)題的一個(gè)很好的選擇。在美國(guó)專(zhuān)利US6938733B2公開(kāi)的電梯應(yīng)急電源裝置中，為了延長(zhǎng)應(yīng)急電源的放電時(shí)間，該專(zhuān)利提出了采用可充電蓄電池和超級(jí)電容器組合的設(shè)計(jì)方法，但沒(méi)有給出兩種儲(chǔ)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(chǔ)能裝置和控制方法，為其在停電、電壓跌落或中斷時(shí)提供應(yīng)急供電；并可以為因電機(jī)工況改變而導(dǎo)致的母線(xiàn)電壓波動(dòng)提供功率緩沖，以維持母線(xiàn)電壓的穩(wěn)定性，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(chǔ)能裝置由超級(jí)電容器組、蓄電池組、超級(jí)電容器充放電電路、蓄電池充電電路、蓄電池放電電路、超級(jí)電容器充放電控制電路、蓄電池充電控制電路，以及蓄電池放電控制電路組成。超級(jí)電容器組通過(guò)超級(jí)電容器充放電電路與直流母線(xiàn)連接，并通過(guò)蓄電池充電電路與蓄電池組連接，蓄電池組通過(guò)蓄電池放電電路與直流母線(xiàn)連接，超級(jí)電容器充放電控制電路控制超級(jí)電容器充放電電路的工作，蓄電池充電控制電路控制蓄電池充電電路的工作，蓄電池放電控制電路控制蓄電池放電電路的工作。
超級(jí)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(jí)電容器先串聯(lián)組成串聯(lián)支路，再將兩個(gè)或者兩個(gè)以上的串聯(lián)支路并聯(lián)，組合成超級(jí)電容器組，具體的串并聯(lián)組合方案要視系統(tǒng)的實(shí)際情況而定。為了提高超級(jí)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(jí)電容器組可以采用串聯(lián)均壓器，還可以采用串并聯(lián)轉(zhuǎn)換電路。蓄電池組也是先由多個(gè)單體電池串聯(lián)起來(lái)組成串聯(lián)支路，再將兩個(gè)或兩個(gè)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(shí)際情況而定。
超級(jí)電容器充放電電路一般由非隔離DC/DC功率變換器組成，由于在實(shí)際工作過(guò)程中能量需要雙向流動(dòng)，因此設(shè)計(jì)為雙向DC/DC。本發(fā)明采用的雙向DC/DC實(shí)際上是由一個(gè)降壓型BUCK電路和一個(gè)升壓型BOOST電路組合而成，包括兩個(gè)功率開(kāi)關(guān)管，兩個(gè)功率二極管，一個(gè)電感器，以及兩個(gè)濾波電容。兩個(gè)電路共用一個(gè)電感器，每一個(gè)電路均有一對(duì)功率開(kāi)關(guān)和功率二極管，當(dāng)一個(gè)電路工作時(shí)，另一個(gè)電路的一對(duì)功率開(kāi)關(guān)和功率二極管始終不工作，反之亦然。兩個(gè)電路在不同的時(shí)間段交替工作，形成了雙向DC/DC。
蓄電池充電電路的能量只能從超級(jí)電容器組流向蓄電池組，可以是升壓型、降壓型，或者升降壓型，具體拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)要參照蓄電池組的容量和組合結(jié)構(gòu)、超級(jí)電容器組的容量和組合結(jié)構(gòu)。考慮到超級(jí)電容器組在工作過(guò)程中端電壓波動(dòng)范圍很大，而蓄電池組的端電壓波動(dòng)范圍較小，因此，本發(fā)明采用升降壓式DC/DC(BUCK-BOOST)，由一個(gè)功率開(kāi)關(guān)管，一個(gè)功率二極管，一個(gè)電感器，以及一個(gè)濾波電容器組成。該功率變換器為負(fù)極性輸出。當(dāng)功率開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通時(shí)，電感器儲(chǔ)存能量，當(dāng)功率開(kāi)關(guān)管斷開(kāi)時(shí)，電感器通過(guò)功率二極管給濾波電容器儲(chǔ)能，由濾波電容器給負(fù)載供電。
蓄電池放電電路的能量只能從蓄電池組流向直流母線(xiàn)，可以是升壓型、降壓型，或者升降壓型。由于直流母線(xiàn)的電壓較高，因此本發(fā)明采用升壓式DC/DC(BOOST)，由一個(gè)功率開(kāi)關(guān)管，一個(gè)功率二極管，一個(gè)電感器，以及一個(gè)濾波電容器組成。當(dāng)功率開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通時(shí)，電感器儲(chǔ)能能量，當(dāng)功率開(kāi)關(guān)管斷開(kāi)時(shí)，電源與電感器串聯(lián)向負(fù)載提供能量，輸出電壓大于電源電壓。
超級(jí)電容器充放電控制電路、蓄電池充電控制電路、蓄電池放電控制電路主要包括信號(hào)采樣單元、A/D轉(zhuǎn)換單元、用戶(hù)指令單元、計(jì)算控制單元(CPU)、隔離驅(qū)動(dòng)單元等，具體的控制管理過(guò)程則由軟件編程實(shí)現(xiàn)。
信號(hào)采樣單元檢測(cè)系統(tǒng)的狀態(tài)參數(shù)，包括蓄電池組的端電壓、溫度、電解液密度、充放電電流；超級(jí)電容器組的端電壓、充放電電流；直流母線(xiàn)的端電壓及其變化率；電梯的位置、載重量、速度、加速度等；以及電網(wǎng)電壓、停電時(shí)間、電壓中斷時(shí)間和電壓跌落程度等。系統(tǒng)通過(guò)信號(hào)采樣單元檢測(cè)這些參數(shù)，產(chǎn)生相應(yīng)的電壓信號(hào)，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(hào)送給計(jì)算控制單元，作為系統(tǒng)控制的入口參數(shù)。
用戶(hù)指令單元接受用戶(hù)指令，包括電梯的升降、目的樓層等，并將這些指令送給計(jì)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(chǔ)能裝置及其控制方法，在實(shí)現(xiàn)所述功能的前提下，力爭(zhēng)高效、節(jié)能，并能減小超級(jí)電容器組和蓄電池組的安裝容量，延長(zhǎng)蓄電池的使用壽命，提高經(jīng)濟(jì)性。其控制思想的基本原則包括以下幾點(diǎn)。
第一，充分發(fā)揮超級(jí)電容器充放電電路、蓄電池充電電路、蓄電池放電電路的變流控制作用，合理配置蓄電池組和超級(jí)電容器組的容量，實(shí)現(xiàn)以較小的容量滿(mǎn)足較大的功率需求和能量需求，降低儲(chǔ)能裝置的安裝成本。
第二，控制超級(jí)電容器充放電電路，使直流母線(xiàn)與混合儲(chǔ)能裝置之間的能量交換，盡可能多地發(fā)生在超級(jí)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(jí)電容器功率密度大、循環(huán)壽命長(zhǎng)、充放電效率高和速度快的優(yōu)點(diǎn)。
第三，控制蓄電池充電電路和蓄電池放電電路，使蓄電池的充放電過(guò)程盡可能處于優(yōu)化狀態(tài)，并減少蓄電池的充放電循環(huán)或小循環(huán)次數(shù)，或者減小放電深度，以延長(zhǎng)蓄電池的使用壽命。
第四，根據(jù)電網(wǎng)狀態(tài)、儲(chǔ)能裝置的荷電狀態(tài)、電梯狀態(tài)，以及用戶(hù)指令等系統(tǒng)信息，提前判斷出混合儲(chǔ)能裝置需要輸出的功率和能量，及時(shí)準(zhǔn)確地控制超級(jí)電容器組和蓄電池組的工作過(guò)程，提高儲(chǔ)能裝置的快速響應(yīng)能力。
本發(fā)明的工作過(guò)程是，在電梯開(kāi)始運(yùn)行前，按照一定的方式給超級(jí)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(jí)電容器組充電，以?xún)?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(dòng)、加速過(guò)程中通過(guò)變頻器從直流母線(xiàn)中吸取較大的功率，導(dǎo)致母線(xiàn)電壓下降，當(dāng)電網(wǎng)電壓發(fā)生短時(shí)中斷、跌落時(shí)，也會(huì)導(dǎo)致母線(xiàn)電壓下降。當(dāng)母線(xiàn)電壓低于一定設(shè)定值時(shí)，超級(jí)電容器組通過(guò)充放電電路給直流母線(xiàn)供電，輸出功率的大小要視母線(xiàn)的功率變化率而定。一般情況下，只通過(guò)超級(jí)電容器組就可以滿(mǎn)足系統(tǒng)的峰值功率需求，但當(dāng)超級(jí)電容器組因放電而導(dǎo)致端電壓低于一定設(shè)定值時(shí)，或者根據(jù)系統(tǒng)狀態(tài)和用戶(hù)指令判斷出蓄電池組需要釋放一定的功率和能量時(shí)，蓄電池組通過(guò)蓄電池放電電路恒流放電，與超級(jí)電容器組一起向直流母線(xiàn)提供所需的功率和能量。
當(dāng)電機(jī)發(fā)生能量回饋時(shí)，直流母線(xiàn)的電壓將會(huì)升高。當(dāng)高于一定的設(shè)定值時(shí)，直流母線(xiàn)通過(guò)超級(jí)電容器充放電電路給超級(jí)電容器組充電，充電功率要視直流母線(xiàn)的功率變化率而定。一般情況下，只給超級(jí)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(jí)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(hù)指令判斷出蓄電池組需要吸收一定的功率和能量時(shí)，超級(jí)電容器組通過(guò)蓄電池充電電路給蓄電池組充電，充電方式可以為優(yōu)化的恒流充電或脈沖充電等。
當(dāng)電網(wǎng)停電時(shí)，混合儲(chǔ)能裝置需要給直流母線(xiàn)提供一定的功率和能量，以保證備用發(fā)電裝置可靠啟動(dòng)并輸出電能，或者保證用電設(shè)備能夠安全停機(jī)，或者連續(xù)運(yùn)行直至電網(wǎng)恢復(fù)供電?？刂菩铍姵胤烹婋娐罚剐铍姵亟M以?xún)?yōu)化的恒流方式放電，輸出的功率等于電梯負(fù)荷的平均功率；控制超級(jí)電容器充放電電路，使超級(jí)電容器組提供電梯在工作過(guò)程中的峰值功率。
對(duì)于高層觀(guān)光塔中的電梯和礦井提升機(jī)，因?yàn)橥？奎c(diǎn)很少而在停電后需要運(yùn)行很長(zhǎng)的距離，電梯才能到達(dá)?？奎c(diǎn)，輔助電源需要支持較長(zhǎng)時(shí)間。還有一些特殊應(yīng)用場(chǎng)合，需要電梯在停電后連續(xù)運(yùn)行數(shù)小時(shí)。采用混合儲(chǔ)能裝置，可以充分發(fā)揮蓄電池能量密度大的優(yōu)點(diǎn)，控制蓄電池放電電路，使蓄電池組以?xún)?yōu)化的恒流輸出方式放電。支持時(shí)間的長(zhǎng)短，主要取決于蓄電池組的容量。
當(dāng)電網(wǎng)恢復(fù)正常時(shí)，為了保證安全工作(有可能出現(xiàn)兩次停電時(shí)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(chǔ)能裝置充電。采用較大的電流給超級(jí)電容器組充電，以?xún)?yōu)化的方法給蓄電池組充電。當(dāng)蓄電池組和超級(jí)電容器組的荷電狀態(tài)達(dá)到設(shè)定值時(shí)，電梯才可以重新工作。
本發(fā)明采用超級(jí)電容器蓄電池混合儲(chǔ)能，并配備有效的控制方法，具有以下優(yōu)點(diǎn)(1)采用超級(jí)電容器蓄電池混合儲(chǔ)能，能夠充分發(fā)揮蓄電池能量密度大和超級(jí)電容器功率密度大、循環(huán)壽命長(zhǎng)、充放電速度快和儲(chǔ)能效率高的優(yōu)點(diǎn)，使儲(chǔ)能裝置具有良好的技術(shù)性能。
(2)由于蓄電池充電電路、蓄電池放電電路，及其控制電路的作用，可以?xún)?yōu)化蓄電池的充放電過(guò)程，減少蓄電池的充放電小循環(huán)次數(shù)，或者降低發(fā)生充放電小循環(huán)時(shí)的放電深度，延長(zhǎng)使用壽命。
(3)由于超級(jí)電容器充放電電路及其控制能力，超級(jí)電容器組的端電壓與直流母線(xiàn)電壓可以有很大的不同，在滿(mǎn)足同樣功率需求的前提下，超級(jí)電容器的能量利用率大為提高，減少了超級(jí)電容器組的安裝容量，降低了系統(tǒng)成本。
(4)由于蓄電池充電電路、蓄電池放電電路，以及超級(jí)電容器充放電電路的變流作用，蓄電池組的端電壓、超級(jí)電容器組的端電壓、以及直流母線(xiàn)的端電壓之間可以有很大的不同，使超級(jí)電容器組和蓄電池組的結(jié)構(gòu)配置更為靈活。
(5)在電機(jī)產(chǎn)生能量回饋時(shí)，通過(guò)超級(jí)電容器充放電電路的控制作用，可以有效地吸收直流母線(xiàn)上的瞬時(shí)大功率，不需要采用泄放回路，或者可以大幅度地減小泄放回路的安裝容量，降低了能耗，提高了經(jīng)濟(jì)性。
(6)蓄電池只通過(guò)一級(jí)DC/DC向直流母線(xiàn)供電，減少了能量損耗，提高了蓄電池的放電效率。
本發(fā)明將超級(jí)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(jí)電容器功率密度大、循環(huán)壽命長(zhǎng)等特點(diǎn)相結(jié)合，提高了電力儲(chǔ)能裝置的性能。超級(jí)電容器蓄電池混合儲(chǔ)能裝置具有較好的儲(chǔ)能能力和功率輸入輸出能力，能夠縮小儲(chǔ)能裝置的體積，改善可靠性。蓄電池通過(guò)一定的方式與超級(jí)電容器并聯(lián)工作，可以?xún)?yōu)化蓄電池的充放電過(guò)程，減少充放電循環(huán)次數(shù)，降低內(nèi)部損耗，增加放電時(shí)間，延長(zhǎng)使用壽命。采用超級(jí)電容器蓄電池儲(chǔ)能裝置，可以大幅度地提高系統(tǒng)的技術(shù)性能和經(jīng)濟(jì)性能，是解決目前電力儲(chǔ)能問(wèn)題的一個(gè)很好的選擇，將其用于電梯，具有很明顯的優(yōu)勢(shì)。


圖1是本發(fā)明混合儲(chǔ)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(jí)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)明蓄電池充電電路的單向DC/DC變換器原理圖；圖4是本發(fā)明蓄電池放電電路的單向DC/DC變換器原理圖；圖5是本發(fā)明超級(jí)電容器充放電控制電路的原理框圖；圖6是本發(fā)明蓄電池充電控制電路的原理框圖；圖7是本發(fā)明蓄電池放電控制電路的原理框圖；圖8是本發(fā)明混合儲(chǔ)能裝置在電梯運(yùn)行前預(yù)充電控制流程圖；圖9是本發(fā)明混合儲(chǔ)能裝置在母線(xiàn)電壓下降時(shí)的控制流程圖；圖10是本發(fā)明混合儲(chǔ)能裝置在負(fù)荷發(fā)生能量回饋時(shí)的控制流程圖；圖11是本發(fā)明混合儲(chǔ)能裝置在電網(wǎng)停電時(shí)的控制流程圖；圖12是本發(fā)明混合儲(chǔ)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(shí)施例方式
以下結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式
進(jìn)一步說(shuō)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(xiàn)11，母線(xiàn)濾波電容300，泄放回路100，變頻器901，電機(jī)及其負(fù)載902。其中，泄放回路100與直流母線(xiàn)11并聯(lián)連接，包括泄放電阻101和泄放控制開(kāi)關(guān)102。電網(wǎng)的三相交流電經(jīng)過(guò)整流器200整流，輸出端接直流母線(xiàn)11，母線(xiàn)濾波電容300對(duì)直流母線(xiàn)11進(jìn)行濾波，變頻器901的輸入端與直流母線(xiàn)11連接，輸出的三相交流驅(qū)動(dòng)電機(jī)及其負(fù)載902。
本發(fā)明用于電梯的混合儲(chǔ)能裝置包括超級(jí)電容器組10、蓄電池組20、超級(jí)電容器充放電電路30、蓄電池充電電路40、蓄電池放電電路50、超級(jí)電容器充放電控制電路60、蓄電池充電控制電路70，以及蓄電池放電控制電路80。超級(jí)電容器組10通過(guò)超級(jí)電容器充放電電路30與直流母線(xiàn)11連接，并通過(guò)蓄電池充電電路40與蓄電池組20連接，蓄電池組20通過(guò)蓄電池放電電路50與直流母線(xiàn)11連接。超級(jí)電容器充放電控制電路60控制超級(jí)電容器充放電電路30，決定了超級(jí)電容器組10與直流母線(xiàn)11之間的能量交換過(guò)程。電梯開(kāi)始工作前，直流母線(xiàn)11通過(guò)超級(jí)電容器充電電路30以較大的功率給超級(jí)電容器組10充電，直至其荷電狀態(tài)達(dá)到設(shè)定值。蓄電池充電控制電路70控制蓄電池充電電路40，決定了超級(jí)電容器組10對(duì)蓄電池組20的充電過(guò)程。電梯開(kāi)始工作前，超級(jí)電容器組10通過(guò)蓄電池充電電路40以?xún)?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。蓄電池放電控制電路80控制蓄電池放電電路50，決定了蓄電池組20對(duì)直流母線(xiàn)11的放電過(guò)程。在工作過(guò)程中，蓄電池充電控制電路70和蓄電池放電控制電路80控制蓄電池充電電路40和蓄電池放電電路50，根據(jù)系統(tǒng)狀態(tài)和用戶(hù)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(shí)間內(nèi)提供一定的能量時(shí)，控制蓄電池放電電路50，使蓄電池組20以?xún)?yōu)化的恒流方式放電。當(dāng)蓄電池組20需要在特定的時(shí)間內(nèi)吸收一定的能量時(shí)，控制蓄電池充電電路40，使蓄電池組20以?xún)?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(jí)電容器充放電電路30的雙向DC/DC變換器。由可控功率開(kāi)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(kāi)關(guān)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(kāi)關(guān)管32的32b端與二極管33的陽(yáng)極33b端連接，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(kāi)關(guān)管34的34a端連接，并與功率二極管35的陽(yáng)極35a端連接，功率開(kāi)關(guān)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(kāi)關(guān)管32和34包括但不限于MOSFET、IGBT、IGCT等，本實(shí)施例采用將IGBT功率開(kāi)關(guān)器件及其驅(qū)動(dòng)電路集成在一起的IPM模塊，該模塊內(nèi)部帶有過(guò)流、過(guò)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(shí)，電路為升壓型DC/DC，34和33不工作，32作為可控開(kāi)關(guān)，與35一起控制電路的工作過(guò)程。當(dāng)端口39作為輸入端，端口38作為輸出端時(shí)，電路為降壓型DC/DC，32和35不工作，34作為可控開(kāi)關(guān)，與33一起控制電路的工作。由于直流母線(xiàn)11的電壓較高，因此，將端口38與超級(jí)電容器組10連接，將端口39與直流母線(xiàn)11連接。當(dāng)能量從超級(jí)電容器組10流向直流母線(xiàn)11時(shí)，為升壓型DC/DC，當(dāng)能量從直流母線(xiàn)11流向超級(jí)電容器組10時(shí)，為降壓型DC/DC。
圖3所示為本發(fā)明蓄電池充電電路40的單向DC/DC變換器。由可控功率開(kāi)關(guān)管42，功率二極管45，電感41，濾波電容47，輸入輸出端48、49組成。功率開(kāi)關(guān)管42的42a端與端口48的正端48a連接；功率開(kāi)關(guān)管42的42b端與電感41的41a端連接，并與功率二極管45的陰極45a端連接，電感41的41b端與負(fù)端口48b及正端口49a連接，功率二極管45的陽(yáng)極55b與端口49的負(fù)端49b連接；濾波電容47與端口49并聯(lián)連接。其中，可控功率開(kāi)關(guān)管42包括但不限于MOSFET、IGBT、IGCT等，本實(shí)施例采用將IGBT功率開(kāi)關(guān)器件及其驅(qū)動(dòng)電路集成在一起的IPM模塊，該模塊內(nèi)部帶有過(guò)流、過(guò)熱保護(hù)功能。端口48接超級(jí)電容器組10，端口49接蓄電池組20，能量只能從超級(jí)電容器組10流向蓄電池組20，為升降壓結(jié)構(gòu)。
圖4所示為本發(fā)明蓄電池放電電路50的單向DC/DC變換器。由可控功率開(kāi)關(guān)管52，功率二極管55，電感51，濾波電容57，輸入輸出端58、59組成。電感51的51a端與端口58的正端58a連接；電感51的51b端與功率開(kāi)關(guān)管52的52a端連接，并與功率二極管55的陽(yáng)極55a端連接，功率開(kāi)關(guān)管52的52b端與負(fù)端口58b及59b連接，功率二極管55的陰極55b與端口59的正端59a連接；濾波電容57與端口59并聯(lián)連接。其中，可控功率開(kāi)關(guān)管52包括但不限于MOSFET、IGBT、IGCT等，本實(shí)施例采用將IGBT功率開(kāi)關(guān)器件及其驅(qū)動(dòng)電路集成在一起的IPM模塊，該模塊內(nèi)部帶有過(guò)流、過(guò)熱保護(hù)功能。由于直流母線(xiàn)11的電壓較高，因此，端口58接蓄電池組20，端口59接直流母線(xiàn)11，能量只能從蓄電池組20流向直流母線(xiàn)11，為升壓結(jié)構(gòu)。
如圖5所示，本發(fā)明超級(jí)電容器充放電控制電路60包括信號(hào)采樣單元61，A/D轉(zhuǎn)換單元62，用戶(hù)指令單元63，計(jì)算控制單元64，以及隔離驅(qū)動(dòng)單元65。其中，計(jì)算控制單元64包括但不限于數(shù)字信號(hào)處理器DSP，單片機(jī)，嵌入式系統(tǒng)等。信號(hào)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(chēng)重傳感器對(duì)系統(tǒng)的狀態(tài)參數(shù)進(jìn)行采樣，包括，電網(wǎng)電壓，母線(xiàn)電壓，電梯的位置、載重量、速度和加速度，超級(jí)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(hào)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(hào)送給計(jì)算控制單元64。用戶(hù)指令單元63將用戶(hù)指令送給計(jì)算控制單元64，包括電梯的升降、目的樓層等。計(jì)算控制單元64按照設(shè)定的控制過(guò)程輸出控制信號(hào)，送給隔離驅(qū)動(dòng)單元65，驅(qū)動(dòng)超級(jí)電容器充放電電路30中的功率開(kāi)關(guān)管32和34，實(shí)現(xiàn)控制過(guò)程。設(shè)定的控制過(guò)程包括在電梯運(yùn)行前，控制功率開(kāi)關(guān)管32不工作，驅(qū)動(dòng)34，直流母線(xiàn)11給超級(jí)電容器組10和蓄電池充電電路40供電；在電梯的啟動(dòng)、加速過(guò)程中，控制功率開(kāi)關(guān)管34不工作，驅(qū)動(dòng)32，超級(jí)電容器組10向直流母線(xiàn)11提供能量；在電梯產(chǎn)生能量回饋過(guò)程中，控制開(kāi)關(guān)管32不工作，驅(qū)動(dòng)34，直流母線(xiàn)11給超級(jí)電容器組10和蓄電池充電電路40供電；在電網(wǎng)停電過(guò)程中，控制功率開(kāi)關(guān)管34不工作，驅(qū)動(dòng)32，向直流母線(xiàn)11提供能量。
如圖6所示，本發(fā)明蓄電池充電控制電路70包括信號(hào)采樣單元71，A/D轉(zhuǎn)換單元72，用戶(hù)指令單元73，計(jì)算控制單元74，以及隔離驅(qū)動(dòng)單元75。其中，計(jì)算控制單元74包括但不限于數(shù)字信號(hào)處理器DSP，單片機(jī)，嵌入式系統(tǒng)等。信號(hào)采樣單元71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(chēng)重傳感器對(duì)系統(tǒng)的狀態(tài)參數(shù)進(jìn)行采樣，包括，電網(wǎng)電壓，母線(xiàn)電壓，電梯的位置、載重量、速度和加速度，超級(jí)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(hào)送給A/D轉(zhuǎn)換單元72，A/D轉(zhuǎn)換單元72將轉(zhuǎn)換的數(shù)字信號(hào)送給計(jì)算控制單元74。用戶(hù)指令單元73將用戶(hù)指令送給計(jì)算控制單元74，包括電梯的升降、目的樓層等。計(jì)算控制單元74按照設(shè)定的控制過(guò)程輸出控制信號(hào)，送給隔離驅(qū)動(dòng)單元75，驅(qū)動(dòng)超級(jí)電容器充電電路40中的功率開(kāi)關(guān)管42，實(shí)現(xiàn)控制過(guò)程。設(shè)定的控制過(guò)程包括在電梯運(yùn)行前，驅(qū)動(dòng)功率開(kāi)關(guān)管42，超級(jí)電容器組10給蓄電池組20充電；在電梯產(chǎn)生能量回饋過(guò)程中，若超級(jí)電容器組10的電壓高于設(shè)定值，驅(qū)動(dòng)功率開(kāi)關(guān)管42，超級(jí)電容器組10給蓄電池組20充電。
如圖7所示，本發(fā)明蓄電池放電控制電路80包括信號(hào)采樣單元81，A/D轉(zhuǎn)換單元82，用戶(hù)指令單元83，計(jì)算控制單元84，以及隔離驅(qū)動(dòng)單元85。其中，計(jì)算控制單元84包括但不限于數(shù)字信號(hào)處理器DSP，單片機(jī)，嵌入式系統(tǒng)等。信號(hào)采樣單元81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(chēng)重傳感器對(duì)系統(tǒng)的狀態(tài)參數(shù)進(jìn)行采樣，包括，電網(wǎng)電壓，母線(xiàn)電壓，電梯的位置、載重量、速度和加速度，超級(jí)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(hào)送給A/D轉(zhuǎn)換單元82，A/D轉(zhuǎn)換單元82將轉(zhuǎn)換的數(shù)字信號(hào)送給計(jì)算控制單元84。用戶(hù)指令單元83將用戶(hù)指令送給計(jì)算控制單元84，包括電梯的升降、目的樓層等。計(jì)算控制單元84按照設(shè)定的控制過(guò)程輸出控制信號(hào)，送給隔離驅(qū)動(dòng)單元85，驅(qū)動(dòng)超級(jí)電容器放電電路50中的功率開(kāi)關(guān)管52，實(shí)現(xiàn)控制過(guò)程。設(shè)定的控制過(guò)程包括，在電梯的啟動(dòng)、加速過(guò)程中，若超級(jí)電容器組10的端電壓下降到一定的設(shè)定值，驅(qū)動(dòng)功率開(kāi)關(guān)管52，蓄電池組20向直流母線(xiàn)11提供能量；在電網(wǎng)停電過(guò)程中，驅(qū)動(dòng)功率開(kāi)關(guān)管52，蓄電池組20向直流母線(xiàn)11提供能量。
在實(shí)際應(yīng)用中，超級(jí)電容器充放電控制電路60，蓄電池充電控制電路70，以及蓄電池放電控制電路80共用信號(hào)采集單元、A/D轉(zhuǎn)換單元，以及用戶(hù)指令單元，計(jì)算控制單元可以采用一個(gè)CPU，也可以采用多個(gè)CPU，多個(gè)CPU之間具有數(shù)據(jù)通訊通道。
電梯在開(kāi)始運(yùn)行前，電網(wǎng)通過(guò)整流器200給直流母線(xiàn)11供電，為其建立起工作電壓?；旌蟽?chǔ)能裝置開(kāi)始預(yù)充電，充電過(guò)程如圖8所示。直流母線(xiàn)11通過(guò)超級(jí)電容器充放電電路30給超級(jí)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)定的要求。在這個(gè)工作過(guò)程中，功率開(kāi)關(guān)管32始終斷開(kāi)，超級(jí)電容器充放電控制電路60輸出的驅(qū)動(dòng)信號(hào)控制開(kāi)關(guān)管34，控制直流母線(xiàn)11向超級(jí)電容器組10的供電過(guò)程。同時(shí)，超級(jí)電容器組10通過(guò)蓄電池充電電路40給蓄電池組20充電，采用優(yōu)化的恒流方式或脈沖方式充電。在這個(gè)工作過(guò)程中，蓄電池充電控制電路70輸出控制信號(hào)驅(qū)動(dòng)開(kāi)關(guān)管42，控制超級(jí)電容器組10向蓄電池組20的供電過(guò)程。當(dāng)超級(jí)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(yùn)行。
電梯在啟動(dòng)、加速過(guò)程中，功率需求加大，會(huì)導(dǎo)致直流母線(xiàn)11電壓降低；此外，當(dāng)電網(wǎng)電壓發(fā)生中斷、跌落時(shí)，也會(huì)引起直流母線(xiàn)11電壓降低?；旌蟽?chǔ)能裝置向直流母線(xiàn)11供電，以使其電壓維持在一定的范圍內(nèi)，過(guò)程如圖9所示。超級(jí)電容器充放電控制電路60控制超級(jí)電容器充放電電路30，使超級(jí)電容器組10向直流母線(xiàn)11供電。在這個(gè)工作過(guò)程中，功率開(kāi)關(guān)管34始終斷開(kāi)，超級(jí)電容器充放電控制電路60輸出的控制信號(hào)驅(qū)動(dòng)開(kāi)關(guān)管32，控制超級(jí)電容器組10向直流母線(xiàn)11的供電過(guò)程。一般情況下，只通過(guò)超級(jí)電容器組10的放電就可以滿(mǎn)足系統(tǒng)要求，但當(dāng)超級(jí)電容器組10持續(xù)放電而導(dǎo)致其端電壓下降到一定設(shè)定值時(shí)，或者根據(jù)系統(tǒng)狀態(tài)和用戶(hù)指令判斷出蓄電池組20需要釋放一定的功率和能量時(shí)，蓄電池放電控制電路80控制蓄電池放電電路50，蓄電池組20與超級(jí)電容器組10一起給直流母線(xiàn)11供電。在這個(gè)過(guò)程中，蓄電池放電控制電路80輸出控制信號(hào)驅(qū)動(dòng)開(kāi)關(guān)管52，控制蓄電池組20向直流母線(xiàn)11的供電過(guò)程。一般蓄電池組20處于恒流放電狀態(tài)。檢測(cè)超級(jí)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(shè)定值，控制電梯安全停機(jī)，混合儲(chǔ)能裝置停止供電。
電梯在減速、停機(jī)過(guò)程中，電機(jī)處于發(fā)電狀態(tài)，并通過(guò)變頻器901向直流母線(xiàn)11饋電，導(dǎo)致其電壓升高。當(dāng)高于設(shè)定值時(shí)，混合儲(chǔ)能裝置以一定的方式吸收這部分功率和能量，過(guò)程如圖10所示。直流母線(xiàn)11通過(guò)超級(jí)電容器充放電電路30給超級(jí)電容器組10充電。在這個(gè)工作過(guò)程中，功率開(kāi)關(guān)管32始終斷開(kāi)，超級(jí)電容器充放電控制電路60輸出的驅(qū)動(dòng)信號(hào)控制開(kāi)關(guān)管34，控制直流母線(xiàn)11向超級(jí)電容器組10的供電過(guò)程。一般情況下，只給超級(jí)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(jí)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(shí)，或者根據(jù)系統(tǒng)信息和用戶(hù)指令判斷出蓄電池組20需要吸收一定的功率和能量時(shí)，超級(jí)電容器組10通過(guò)蓄電池充電電路40給蓄電池組20充電。在這個(gè)過(guò)程中，蓄電池充電控制電路70輸出驅(qū)動(dòng)信號(hào)控制開(kāi)關(guān)管42，控制超級(jí)電容器組10向蓄電池組20的供電過(guò)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(jí)電容器組10和蓄電池組20的荷電狀態(tài)達(dá)到設(shè)定值而直流母線(xiàn)11電壓仍然高于設(shè)定值時(shí)，泄放回路100中的控制開(kāi)關(guān)102閉合，直流母線(xiàn)11通過(guò)泄放電阻101放電，直至電壓下降到設(shè)定值，控制開(kāi)關(guān)102斷開(kāi)。
當(dāng)電網(wǎng)停電時(shí)，由混合儲(chǔ)能裝置提供電梯正常運(yùn)行所需的功率和能量，實(shí)現(xiàn)不間斷供電，過(guò)程如圖11所示。蓄電池組20通過(guò)蓄電池放電電路50向直流母線(xiàn)11供電，蓄電池組20恒流輸出，其輸出功率等于電梯運(yùn)行過(guò)程中的平均功率。在這個(gè)過(guò)程中，蓄電池放電控制電路80輸出驅(qū)動(dòng)信號(hào)控制開(kāi)關(guān)管52，控制蓄電池組20向直流母線(xiàn)11的供電過(guò)程。超級(jí)電容器組10通過(guò)超級(jí)電容器充放電電路30向直流母線(xiàn)11供電，主要用于提供電梯在啟動(dòng)、加速時(shí)的峰值功率需求，并在電梯減速、停機(jī)等過(guò)程中吸收直流母線(xiàn)11的峰值功率。在這個(gè)過(guò)程中，超級(jí)電容器充放電控制電路60輸出的驅(qū)動(dòng)信號(hào)控制功率開(kāi)關(guān)管32和34在不同的時(shí)間段交替工作，實(shí)現(xiàn)能量的雙向流動(dòng)。混合儲(chǔ)能裝置持續(xù)工作，直至電梯繼續(xù)運(yùn)行至下一樓層并打開(kāi)電梯門(mén)，或者其它備用發(fā)電設(shè)備啟動(dòng)并輸出電能，或者連續(xù)運(yùn)行直至電網(wǎng)恢復(fù)供電。如果停電時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，蓄電池組20和超級(jí)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(jī)，并停止混合儲(chǔ)能裝置的供電。
圖12是本發(fā)明混合儲(chǔ)能裝置在多電梯供電系統(tǒng)中的應(yīng)用實(shí)施例。在圖1所示系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，電網(wǎng)通過(guò)整流電路200整流并將產(chǎn)生的直流電送給公共直流母線(xiàn)11，公共直流母線(xiàn)11驅(qū)動(dòng)多組由變頻器901和電機(jī)902組成的負(fù)荷90，在本實(shí)施例中，所有電梯裝置通過(guò)公共直流母線(xiàn)11共用一套泄放回路100(包括泄放電組101和泄放控制開(kāi)關(guān)102)?；旌蟽?chǔ)能裝置的工作過(guò)程和控制方法與圖1所示實(shí)施例相似。本實(shí)施例的優(yōu)點(diǎn)在于，通過(guò)公共直流母線(xiàn)11驅(qū)動(dòng)多組負(fù)荷90，可以充分發(fā)揮各負(fù)荷之間因工作過(guò)程不同步而具有的能量互補(bǔ)作用，這樣可以進(jìn)一步縮小混合儲(chǔ)能裝置的安裝容量，可以減少混合儲(chǔ)能裝置的工作時(shí)間，提高了系統(tǒng)的能量利用效率。
權(quán)利要求
1.一種用于電梯的混合儲(chǔ)能裝置，其特征在于包括超級(jí)電容器組[10]、蓄電池組[20]、超級(jí)電容器充放電電路[30]、蓄電池充電電路[40]、蓄電池放電電路[50]、超級(jí)電容器充放電控制電路[60]、蓄電池充電控制電路[70]，以及蓄電池放電控制電路[80]；超級(jí)電容器組[10]通過(guò)超級(jí)電容器充放電電路[30]與電梯供電系統(tǒng)中的直流母線(xiàn)[11]連接，并通過(guò)蓄電池充電電路[40]與蓄電池組[20]連接，蓄電池組[20]通過(guò)蓄電池放電電路[50]與直流母線(xiàn)[11]連接；超級(jí)電容器充放電電路[30]由能量可雙向流動(dòng)的非隔離DC/DC變換器組成，蓄電池充電電路[40]由能量單向流動(dòng)的非隔離DC/DC變換器組成，蓄電池放電電路[50]由能量單向流動(dòng)的非隔離DC/DC變換器組成；超級(jí)電容器充放電控制電路[60]包括信號(hào)采樣單元[61]、A/D轉(zhuǎn)換單元[62]、用戶(hù)指令單元[63]、計(jì)算控制單元[64]、以及隔離驅(qū)動(dòng)單元[65]；蓄電池充電控制電路[70]包括信號(hào)采樣單元[71]、A/D轉(zhuǎn)換單元[72]、用戶(hù)指令單元[73]、計(jì)算控制單元[74]、以及隔離驅(qū)動(dòng)單元[75]；蓄電池充電控制電路[80]包括信號(hào)采樣單元[81]、A/D轉(zhuǎn)換單元[82]、用戶(hù)指令單元[83]、計(jì)算控制單元[84]、以及隔離驅(qū)動(dòng)單元[85]；超級(jí)電容器充放電控制電路[60]中，信號(hào)采樣單元[61]采集系統(tǒng)的狀態(tài)參數(shù)，輸出電壓信號(hào)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(hào)送給計(jì)算控制單元[64]，用戶(hù)指令單元[63]將用戶(hù)指令送給計(jì)算控制單元[64]，計(jì)算控制單元[64]輸出控制信號(hào)給隔離驅(qū)動(dòng)單元[65]；在蓄電池充電控制電路[70]中，信號(hào)采樣單元[71]采集系統(tǒng)的狀態(tài)參數(shù)，輸出電壓信號(hào)給A/D轉(zhuǎn)換單元[72]，A/D轉(zhuǎn)換單元[72]將轉(zhuǎn)換的數(shù)字信號(hào)送給計(jì)算控制單元[74]，用戶(hù)指令單元[73]將用戶(hù)指令送給計(jì)算控制單元[74]，計(jì)算控制單元[74]輸出控制信號(hào)送給隔離驅(qū)動(dòng)單元[75]；在蓄電池放電控制電路[80]中，信號(hào)采樣單元[81]采集系統(tǒng)的狀態(tài)參數(shù)，輸出電壓信號(hào)給A/D轉(zhuǎn)換單元[82]，A/D轉(zhuǎn)換單元[82]將轉(zhuǎn)換的數(shù)字信號(hào)送給計(jì)算控制單元[84]，用戶(hù)指令單元[83]將用戶(hù)指令送給計(jì)算控制單元[84]，計(jì)算控制單元[84]輸出控制信號(hào)送給隔離驅(qū)動(dòng)單元[85]。
2.如權(quán)利要求1所述的用于電梯的混合儲(chǔ)能裝置，其特征在于超級(jí)電容器充放電電路[30]的雙向DC/DC變換器由可控功率開(kāi)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(kāi)關(guān)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(kāi)關(guān)管[32]的32b端與二極管[33]的陽(yáng)極33b端連接，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(kāi)關(guān)管[34]的34a端連接，并與功率二極管[35]的陽(yáng)極35a端連接，功率開(kāi)關(guān)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(quán)利要求1所述的用于電梯的混合儲(chǔ)能裝置，其特征在于蓄電池充電電路[40]的單向DC/DC變換器由可控功率開(kāi)關(guān)管[42]、功率二極管[45]、電感[41]、濾波電容[47]、輸入輸出端[48和49]組成；功率開(kāi)關(guān)管[42]的42a端與端口[48]的正端48a連接；功率開(kāi)關(guān)管[42]的42b端與電感[41]的41a端連接，并與功率二極管[45]的陰極45a端連接，電感[41]的41b端與負(fù)端口48b及正端口49a連接，功率二極管[45]的陽(yáng)極55b與端口[49]的負(fù)端49b連接；濾波電容[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(chǔ)能裝置，其特征在于蓄電池放電電路[50]的單向DC/DC變換器由可控功率開(kāi)關(guān)管[52]、功率二極管[55]、電感[51]、濾波電容[57]、輸入輸出端[58和59]組成；電感[51]的51a端與端口[58]的正端58a連接；電感[51]的51b端與功率開(kāi)關(guān)管[52]的52a端連接，并與功率二極管[55]的陽(yáng)極55a端連接，功率開(kāi)關(guān)管[52]的52b端與負(fù)端口58b及59b連接，功率二極管[55]的陰極55b與端口[59]的正端59a連接；濾波電容[57]與端口[59]并聯(lián)連接。
5.如權(quán)利要求1所述的用于電梯的混合儲(chǔ)能裝置，其特征在于所述混合儲(chǔ)能裝置應(yīng)用于多電梯的供電系統(tǒng)，各個(gè)電梯電機(jī)[902]通過(guò)變頻器[901]與公共直流母線(xiàn)[11]相連，并共用一個(gè)泄放回路[100]。
6.一種用于權(quán)利要求1所述的用于電梯的混合儲(chǔ)能裝置的控制方法，其特征在于超級(jí)電容器充放電控制電路[60]的信號(hào)采樣單元[61]采樣電網(wǎng)電壓，母線(xiàn)電壓，電梯的位置、載重量、速度和加速度，超級(jí)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，輸出電壓信號(hào)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(hào)送給計(jì)算控制單元[64]；用戶(hù)指令單元[63]將用戶(hù)指令傳送到計(jì)算控制單元[64]，計(jì)算控制單元[64]按照設(shè)定的控制過(guò)程輸出控制信號(hào)，經(jīng)過(guò)隔離驅(qū)動(dòng)單元[65]，控制超級(jí)電容器充放電電路[30]中的功率開(kāi)關(guān)管[32和34]，實(shí)現(xiàn)控制過(guò)程；設(shè)定的控制過(guò)程包括在電機(jī)運(yùn)行前，控制功率開(kāi)關(guān)管[32]不工作，驅(qū)動(dòng)[34]，直流母線(xiàn)[11]給超級(jí)電容器組[10]和蓄電池充電電路[40]供電；在電梯的啟動(dòng)、加速過(guò)程中，控制功率開(kāi)關(guān)管[34]不工作，驅(qū)動(dòng)[32]，向直流母線(xiàn)[11]提供能量；在電梯產(chǎn)生能量回饋過(guò)程中，控制開(kāi)關(guān)管[32]不工作，驅(qū)動(dòng)[34]，直流母線(xiàn)[11]給超級(jí)電容器組[10]和蓄電池充電電路[40]供電；在電網(wǎng)停電過(guò)程中，控制功率開(kāi)關(guān)管[34]不工作，驅(qū)動(dòng)[32]，向直流母線(xiàn)[11]提供能量；蓄電池充電控制電路[70]的信號(hào)采樣單元[71]采樣電網(wǎng)電壓，母線(xiàn)電壓，電梯的位置、載重量、速度和加速度，超級(jí)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，輸出電壓信號(hào)送給A/D轉(zhuǎn)換單元[72]，A/D轉(zhuǎn)換單元[72]將轉(zhuǎn)換的數(shù)字信號(hào)送給計(jì)算控制單元[74]，用戶(hù)指令單元[73]將用戶(hù)指令傳送給計(jì)算控制單元[74]，計(jì)算控制單元74按照設(shè)定的控制過(guò)程輸出控制信號(hào)，經(jīng)過(guò)隔離驅(qū)動(dòng)單元[75]，驅(qū)動(dòng)超級(jí)電容器充電電路[40]中的功率開(kāi)關(guān)管[42]，實(shí)現(xiàn)控制過(guò)程；設(shè)定的控制過(guò)程包括，在電機(jī)運(yùn)行前，驅(qū)動(dòng)功率開(kāi)關(guān)管[42]，超級(jí)電容器組[10]給蓄電池組[20]充電；在電梯產(chǎn)生能量回饋過(guò)程中，若超級(jí)電容器組[10]的端電壓高于設(shè)定值時(shí)，驅(qū)動(dòng)功率開(kāi)關(guān)管[42]，超級(jí)電容器組[10]給蓄電池組[20]充電；蓄電池放電控制電路[80]的信號(hào)采樣單元[81]采樣電網(wǎng)電壓，母線(xiàn)電壓，電梯的位置、載重量、速度和加速度，超級(jí)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，輸出電壓信號(hào)送給A/D轉(zhuǎn)換單元[82]，A/D轉(zhuǎn)換單元[82]將轉(zhuǎn)換的數(shù)字信號(hào)送給計(jì)算控制單元[84]，用戶(hù)指令單元[83]將用戶(hù)指令傳送給計(jì)算控制單元[84]，計(jì)算控制單元[84]按照設(shè)定的控制過(guò)程輸出控制信號(hào)，經(jīng)過(guò)隔離驅(qū)動(dòng)單元[85]，驅(qū)動(dòng)超級(jí)電容器放電電路[50]中的功率開(kāi)關(guān)管[52]，實(shí)現(xiàn)控制過(guò)程；設(shè)定的控制過(guò)程包括在電梯的啟動(dòng)、加速過(guò)程中，若超級(jí)電容器組[10]的端電壓下降到一定的設(shè)定值，驅(qū)動(dòng)功率開(kāi)關(guān)管[52]，蓄電池組[20]向直流母線(xiàn)[11]提供能量；在電網(wǎng)停電過(guò)程中，驅(qū)動(dòng)功率開(kāi)關(guān)管[52]，蓄電池組[20]向直流母線(xiàn)[11]提供能量。
7.如權(quán)利要求6所述的用于電梯的混合儲(chǔ)能裝置的控制方法，其特征在于電梯開(kāi)始工作前，超級(jí)電容器充放電控制電路[60]控制超級(jí)電容器充放電電路[30]，直流母線(xiàn)[11]通過(guò)超級(jí)電容器充電電路[30]以較大的功率給超級(jí)電容器組[10]充電；蓄電池充電控制電路[70]控制蓄電池充電電路[40]，超級(jí)電容器組[10]通過(guò)蓄電池充電電路[40]以?xún)?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。
8.如權(quán)利要求6所述的用于電梯的混合儲(chǔ)能裝置的控制方法，其特征在于蓄電池充電控制電路[70]和蓄電池放電控制電路[80]分別控制蓄電池充電電路[40]和蓄電池放電電路[50]，根據(jù)系統(tǒng)狀態(tài)和用戶(hù)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(shí)間內(nèi)提供一定的能量時(shí)，控制蓄電池放電電路[50]，使蓄電池組[20]以?xún)?yōu)化的恒流方式放電；當(dāng)蓄電池組[20]需要在特定的時(shí)間內(nèi)吸收一定的能量時(shí)，控制蓄電池充電電路[40]，使蓄電池組[20]以?xún)?yōu)化的恒流方式或脈沖方式充電。
全文摘要
一種用于電梯混合儲(chǔ)能裝置，包括超級(jí)電容器組[10]、蓄電池組[20]、超級(jí)電容器充放電電路[30]、蓄電池充電電路[40]、蓄電池放電路[50]、超級(jí)電容器充放電控制電路[60]、蓄電池充電控制電路[70]和蓄電池放電控制電路[80]。直流母線(xiàn)[11]通過(guò)超級(jí)電容器充放電電路[30]與超級(jí)電容器組[10]連接，超級(jí)電容器組[10]通過(guò)蓄電池充電電路[40]與蓄電池組[20]連接，能量從超級(jí)電容器組[10]流向蓄電池組[20]。蓄電池組[20]通過(guò)蓄電池放電電路[40]與直流母線(xiàn)[11]連接，能量從蓄電池組[20]流向直流母線(xiàn)[11]。本發(fā)明通過(guò)控制超級(jí)電容器充放電控制電路[60]、蓄電池充電控制電路[70]和蓄電池放電控制電路[80]，實(shí)現(xiàn)不間斷供電和功率緩沖；可使超級(jí)電容器組[10]和蓄電池組[20]的安裝容量最小化；優(yōu)化蓄電池組[20]的充放電工作狀態(tài)，延長(zhǎng)使用壽命。
文檔編號(hào)H02J7/32GK1835328SQ200610011628
公開(kāi)日2006年9月20日 申請(qǐng)日期2006年4月10日 優(yōu)先權(quán)日2006年4月10日
發(fā)明者齊智平, 唐西勝, 馮之鉞, 韋統(tǒng)振, 王司博 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院電工研究所