基于超級電容的電梯雙向儲能系統(tǒng)設計與應用研究

引言

翡翠島廣場位于深圳市鹽田區(qū),項目總建筑面積22.8萬m2,包括塔樓、裙樓和地下室。其中塔樓為地上40層,建筑高度159.70m,包括辦公及酒店。裙樓商業(yè)為地上2~5層,設有2層地下室。項目共設垂直電梯46臺、自動扶梯30臺。預計項目投運后,電費開支將占到維持運營成本的50%以上。其中電能消耗占比最大的為空調(diào)系統(tǒng),其次即為電梯能耗。

由于垂直電梯(以下簡稱"電梯")在日常工況下滿足四象限運行,即電梯在輕載上行、重載下行時,曳引電機處于發(fā)電狀態(tài)。如將電機發(fā)電時的回饋電能儲存起來,在電機電動狀態(tài)下重新利用,則能有效節(jié)約電梯能耗。儲能元件可選用比鋰離子電池充放電速度更快的超級電容,以滿足電梯復雜的運行工況。為此,擬對該項目既有電梯加裝超級電容雙向儲能裝置,從而節(jié)約電能消耗,降低運營成本。

1超級電容介紹

超級電容作為近年來推行的新型儲能材料,在軌道交通、新能源汽車、軍工等領域已取得一定的實踐成果,具有較大的研究潛力。與鋰離子電池相比,超級電容功率密度一般為102~104wh/kg,超出鋰離子電池3倍以上。完全充放電僅需數(shù)秒至數(shù)百秒,其充放電屬于物理過程,理論充電次數(shù)沒有限制,實際應用中高達50萬~100萬次。

超級電容單體的電壓較小,通常為1~3V。如圖1、圖2所示,通常是將超級電容單體串并聯(lián)組合成工作組,以實現(xiàn)需要的工作電壓和存儲容量。

假設超級電容組的串聯(lián)數(shù)為m、并聯(lián)數(shù)為n,超級電容單體電容值為Ca,則超級電容組的電容值Cz可表達如下:

超級電容儲能的計算公式為:

式中,w為超級電容儲存能量(J):Cz為超級電容組電容值(F):Umax為超級電容最高工作電壓(V):Umin為超級電容最低工作電壓(V)。

2超級電容雙向儲能系統(tǒng)設計

2.1雙向儲能裝置結(jié)構及原理

超級電容雙向儲能裝置如圖3虛線、圖4所示,主要由超級電容工作組sC、應急電源EPS(EmergencyPowersupply)、雙向DC/DC變換器以及直流濾波電容組成。能量管理的方式為:當電梯處于輕載上行、重載下行、減速運行、停車制動等發(fā)電狀態(tài)時,再生電能反向流經(jīng)逆變器轉(zhuǎn)換為直流狀態(tài),此時雙向DC/DC變換器切換為Buck降壓模式,將回饋電能儲存在超級電容組內(nèi)。當電梯處于輕載下行、重載上行、加速運行、行車啟動等耗電狀態(tài)時,雙向DC/DC變換器切換為Boost升壓模式,將超級電容組儲存的電能轉(zhuǎn)給曳引機供電,同時,還可通過應急電源EPS將多余電能轉(zhuǎn)給電梯輔助系統(tǒng)供電。應急電源EPS設兩個輸入端,一路為三相交流電網(wǎng),一路為超級電容組,輸出為三相220V電源,供電梯應急情況使用。

2.2超級電容儲能分區(qū)設計

為了合理利用超級電容組,需要對其內(nèi)部進行功能分區(qū)。這里可根據(jù)電梯運行工況將儲能空間劃分為3個功能區(qū),如圖5所示。

(1)I區(qū)為功率補償區(qū),該區(qū)域起到平衡充放電功率的作用,吸收以及就地利用的再生電能都儲存在該區(qū)。為確保儲能裝置應急電源EPS的可靠使用,設閾值Va,當放電至Va以下時,超級電容停止對EPS供電,EPS切換為電網(wǎng)供電。

(2)b區(qū)為應急功能區(qū),當電梯配有斷電自動平層、應急照明等救援功能時,可實現(xiàn)緊急供電,并設閾值V<限制其饋電,且有V<3Va。

(3)Ⅲ區(qū)為保護功能區(qū),為防止超級電容過充電或過放電發(fā)生,需要對充放電深度進行限制。在儲能區(qū)上部、下部分別設閾值,當吸收電能超過V1或釋放電能低于V2時,停止雙向DC/DC變換器的控制,起到保護超級電容組的作用。

2.3超級電容容量設計

目前超級電容單體的價格較為昂貴,如儲能裝置的電容量配置過高,將導致設備體積龐大,儲能空間利用不充分,達不到經(jīng)濟的目的:如電容量配置過低,超級電容會經(jīng)常處于飽和狀態(tài),多余的再生能量只能通過制動電阻消耗掉,從而降低使用效率。這里筆者根據(jù)電梯運行過程中能量交換的特點,對超級電容的合理容量進行測算。

圖6、圖7分別為電梯在輕載運行、重載運行時,由底層至頂層再返回底層一個周期內(nèi)的能量變化。在理想狀態(tài)下,無論是發(fā)電還是放電,載荷恒定、運行的始末位置不變的情況下,曳引電機輸出總功率為零。但由于存在機械效率、系統(tǒng)損耗的原因,實際電機還需克服自身阻力才能運行。

超級電容的功率補償區(qū)容量應能滿足電梯在一次往返行程中發(fā)出的最大電能,即空載上行、滿載下行一個往返過程中回收的全部電能。則最大吸收能量Wmax為:

式中,m1為電梯額定載重(kg):m2為轎廂質(zhì)量(kg):mI為對重質(zhì)量(kg):g為重力加速度,g=9.8m/s2:h為電梯最大提升高度(m)。

通過公式簡化可知,W的最大值即為m1gh,說明電梯在一個循環(huán)周期內(nèi)發(fā)出的最大能量與額定載重、最大提升高度成正比,相應匹配的超級電容容量也應據(jù)此設計。

超級電容容量除了滿足最大吸收能量Wmax外,還應保證運行安全及效率指標。為提高充放電效率,同時避免過充電、過放電造成超級電容壽命縮短,一般取充放電深度不小于0.5為宜,則有充放電深度表達式為:

當電梯配備斷電自動平層功能時,還應考慮緊急情況下超級電容為應急系統(tǒng)供電的容量。所以超級電容的輸出功率要大于曳引電機的額定功率,即:

式中,Pc為自動平層時超級電容輸出功率(w):Py為自動平層時曳引機輸出功率(w):Ic為超級電容輸出電流(A)。

結(jié)合上述條件,可以得到超級電容組容量設計的約束方程:

式中,η1為超級電容儲能裝置的能量轉(zhuǎn)換效率:72為電梯系統(tǒng)的能量轉(zhuǎn)換效率。

在確定了電梯的額定功率、額定載重、提升高度、應急平層功率等參數(shù)后,可以按照式(6)求出合理的電容值,該電容值的最小值應能容納電梯一次運行周期內(nèi)的全部電能,同時還保留有足夠余量作為應急救援EPS使用。

3經(jīng)濟目標分析

加裝儲能裝置的目的在于節(jié)約運營成本,使收益達到預期目標。如在電梯全壽命期內(nèi)無法回收投資,就失去了加裝儲能裝置的意義。通過上述分析,可按照需求對超級電容儲能裝置的容量進行估算,以確定投資成本。

投資成本主要包括超級電容費用以及雙向DC/DC變換器費用。假設超級電容單價為Qc元/個,變換器價格與功率有關,設雙向DC/DC變換器單價為Qdc元/w,則能得出投資總成本Q為:

在得出投資總成本后,即可根據(jù)收益折算出回收年限。假設電梯每年節(jié)約的電量為WE,電費單價為QE元/kwh,N為投資回收年限,則有約束方程:

據(jù)國內(nèi)統(tǒng)計,在日常維護可靠的情況下,電梯使用壽命通常為15~25年[2],超出壽命期需要進行改造、大修處理。所以在分析投資回收期時,可考慮N≤15年作為參考投資回收年限。

4現(xiàn)場布置方案

對既有電梯加裝儲能裝置時,應充分考慮各專業(yè)的銜接問題。如建筑專業(yè),包括機房預留空間、設備運輸路徑等:暖通專業(yè),包括空調(diào)系統(tǒng)覆蓋范圍、通風口設置等:電氣專業(yè),包括電源接駁位置、線纜敷設路徑、預留配電負荷大小、接地干線連接等。

翡翠島廣場電梯分布如表1所示,按照建筑區(qū)域,分為塔樓用梯、裙樓用梯。塔樓均配有電梯機房,而裙樓商業(yè)有18臺為無機房電梯,該部分電梯的控制箱位于頂層站的廳門附近,位置如圖8所示。

針對儲能裝置的布置,分為有機房和無機房兩種情況。當進行有機房布置時,機房內(nèi)只有該電梯的專用設備,主要包括電源柜、控制箱、曳引電機、承重鋼梁、設備間布線及線槽等。機房內(nèi)的設備相對占用面積不大,且較為獨立,電梯機房內(nèi)已安裝有接地干線,后期加裝的儲能裝置可以就地利用,無需再單獨制作接地干線。

對于無機房電梯,由于缺少了獨立機房,儲能裝置應選擇臨近直流母線一側(cè),以便減少雙向DC/DC變換器與母線間的線纜連接長度?？煽紤]將儲能裝置布置在頂層廳門附近的設備間、強電井等位置,一是方便連接頂層的電梯控制箱內(nèi)的直流母線,二是可利用設備間、強電井的接地系統(tǒng)就地連接。

5實驗結(jié)果

按上述方案,本項目選取塔樓11#電梯、裙樓8#電梯作為改造對象,兩部電梯規(guī)格參數(shù)如表2所示。為兩部電梯加裝超級電容儲能裝置,并按電梯最大行程距離,即最低層至最高層往返一次,分別按空載、半載、滿載三種狀態(tài)進行實驗。每種工況按照儲能裝置投入、退出兩種狀態(tài)獨立測試,并在各種工況下分別測試5次取算術平均值。如圖9所示,測試用的電能計量表設于電梯電源進線端。塔樓11#梯、裙樓8#梯的測試結(jié)果如表3、表4所示。

通過測試結(jié)果可知,在加入超級電容儲能裝置后,兩部客梯在半載狀態(tài)下的節(jié)電率并不明顯,說明平衡工況下曳引電機的大部分功率用來克服系統(tǒng)自身阻力,并未出現(xiàn)陡升的充放電效應。但在空載、滿載狀態(tài)下的能耗均有了顯著降低。塔樓11#客梯節(jié)電率為26018%,裙樓8#客梯節(jié)電率為18055%,塔樓梯的節(jié)能效果優(yōu)于裙樓梯,進一步證明了隨著提升高度、載荷的增加,儲能裝置的節(jié)能效果也會提升。

另外,可以估算一下投資回收期。以塔樓11#客梯為例,假設每年運行次數(shù)為20萬次,預計年節(jié)約電量97600kwh,電費單價0.6元/kwh:超級電容單體價格50元/個,雙向DC/DC變換器單價170元/w,最高工作電壓53.1V,額定電流85A,將相關參數(shù)代入式(8),得出11#客梯超級電容儲能裝置N≥5.6,即在6年內(nèi)完成投資回收。

6建議

結(jié)合本次翡翠島廣場既有電梯加裝超級電容儲能裝置的應用效果,提出如下建議:

(1)在參數(shù)配置時,應根據(jù)各類電梯不同的規(guī)格性能,針對性地匹配合理的超級電容容量。一方面能減少儲能裝置的成本,以便縮短投資回收期:另一方面,可限制儲能裝置設備尺寸,降低土建預留不足的風險。

(2)建筑設計應充分考慮電梯后期改造的可能性,并在機房預留足夠的空間加裝儲能裝置。尤其是建筑裙樓大多采用無機房設計時,應在就近的設備房、強電井等處考慮適合的安裝條件。

(3)本次選用雙向DC/DC變換器作為控制單元,通過檢測母線側(cè)電壓變化進行充放電控制,系統(tǒng)相對較簡單。其他如遺傳算法、神經(jīng)網(wǎng)絡預測法等更為先進的控制策略,可進一步提高儲能裝置的效率。但先進的控制策略可能提高初期投資,所以應結(jié)合實際情況綜合考慮。

(4)本文改造的電梯是在理想狀態(tài)下進行測試的,即在空載、半載、滿載的條件下按最大行程往返運行。但在現(xiàn)實使用中,電梯的載荷、提升高度都有不確定性。例如,辦公客梯在早班通勤時,大部分時段處于重載上行、輕載下行的耗電狀態(tài):而在下班通勤時,又常處于輕載上行、重載下行的發(fā)電狀態(tài)。所以,還應結(jié)合電梯本身的群控系統(tǒng)優(yōu)勢,合理調(diào)度、交通分流,進而彌補超級電容儲能系統(tǒng)的缺陷。