基于超级电容的电梯双向储能系统设计与应用研究

引言

翡翠岛广场位于深圳市盐田区,项目总建筑面积22.8万m2,包括塔楼、裙楼和地下室。其中塔楼为地上40层,建筑高度159.70m,包括办公及酒店。裙楼商业为地上2~5层,设有2层地下室。项目共设垂直电梯46台、自动扶梯30台。预计项目投运后,电费开支将占到维持运营成本的50%以上。其中电能消耗占比最大的为空调系统,其次即为电梯能耗。

由于垂直电梯(以下简称"电梯")在日常工况下满足四象限运行,即电梯在轻载上行、重载下行时,曳引电机处于发电状态。如将电机发电时的回馈电能储存起来,在电机电动状态下重新利用,则能有效节约电梯能耗。储能元件可选用比锂离子电池充放电速度更快的超级电容,以满足电梯复杂的运行工况。为此,拟对该项目既有电梯加装超级电容双向储能装置,从而节约电能消耗,降低运营成本。

1超级电容介绍

超级电容作为近年来推行的新型储能材料,在轨道交通、新能源汽车、军工等领域已取得一定的实践成果,具有较大的研究潜力。与锂离子电池相比,超级电容功率密度一般为102~104wh/kg,超出锂离子电池3倍以上。完全充放电仅需数秒至数百秒,其充放电属于物理过程,理论充电次数没有限制,实际应用中高达50万~100万次。

超级电容单体的电压较小,通常为1~3V。如图1、图2所示,通常是将超级电容单体串并联组合成工作组,以实现需要的工作电压和存储容量。

假设超级电容组的串联数为m、并联数为n,超级电容单体电容值为Ca,则超级电容组的电容值Cz可表达如下:

超级电容储能的计算公式为:

式中,w为超级电容储存能量(J):Cz为超级电容组电容值(F):Umax为超级电容最高工作电压(V):Umin为超级电容最低工作电压(V)。

2超级电容双向储能系统设计

2.1双向储能装置结构及原理

超级电容双向储能装置如图3虚线、图4所示,主要由超级电容工作组sC、应急电源EPS(EmergencyPowersupply)、双向DC/DC变换器以及直流滤波电容组成。能量管理的方式为:当电梯处于轻载上行、重载下行、减速运行、停车制动等发电状态时,再生电能反向流经逆变器转换为直流状态,此时双向DC/DC变换器切换为Buck降压模式,将回馈电能储存在超级电容组内。当电梯处于轻载下行、重载上行、加速运行、行车启动等耗电状态时,双向DC/DC变换器切换为Boost升压模式,将超级电容组储存的电能转给曳引机供电,同时,还可通过应急电源EPS将多余电能转给电梯辅助系统供电。应急电源EPS设两个输入端,一路为三相交流电网,一路为超级电容组,输出为三相220V电源,供电梯应急情况使用。

2.2超级电容储能分区设计

为了合理利用超级电容组,需要对其内部进行功能分区。这里可根据电梯运行工况将储能空间划分为3个功能区,如图5所示。

(1)I区为功率补偿区,该区域起到平衡充放电功率的作用,吸收以及就地利用的再生电能都储存在该区。为确保储能装置应急电源EPS的可靠使用,设阈值Va,当放电至Va以下时,超级电容停止对EPS供电,EPS切换为电网供电。

(2)b区为应急功能区,当电梯配有断电自动平层、应急照明等救援功能时,可实现紧急供电,并设阈值V<限制其馈电,且有V<3Va。

(3)Ⅲ区为保护功能区,为防止超级电容过充电或过放电发生,需要对充放电深度进行限制。在储能区上部、下部分别设阈值,当吸收电能超过V1或释放电能低于V2时,停止双向DC/DC变换器的控制,起到保护超级电容组的作用。

2.3超级电容容量设计

目前超级电容单体的价格较为昂贵,如储能装置的电容量配置过高,将导致设备体积庞大,储能空间利用不充分,达不到经济的目的:如电容量配置过低,超级电容会经常处于饱和状态,多余的再生能量只能通过制动电阻消耗掉,从而降低使用效率。这里笔者根据电梯运行过程中能量交换的特点,对超级电容的合理容量进行测算。

图6、图7分别为电梯在轻载运行、重载运行时,由底层至顶层再返回底层一个周期内的能量变化。在理想状态下,无论是发电还是放电,载荷恒定、运行的始末位置不变的情况下,曳引电机输出总功率为零。但由于存在机械效率、系统损耗的原因,实际电机还需克服自身阻力才能运行。

超级电容的功率补偿区容量应能满足电梯在一次往返行程中发出的最大电能,即空载上行、满载下行一个往返过程中回收的全部电能。则最大吸收能量Wmax为:

式中,m1为电梯额定载重(kg):m2为轿厢质量(kg):mI为对重质量(kg):g为重力加速度,g=9.8m/s2:h为电梯最大提升高度(m)。

通过公式简化可知,W的最大值即为m1gh,说明电梯在一个循环周期内发出的最大能量与额定载重、最大提升高度成正比,相应匹配的超级电容容量也应据此设计。

超级电容容量除了满足最大吸收能量Wmax外,还应保证运行安全及效率指标。为提高充放电效率,同时避免过充电、过放电造成超级电容寿命缩短,一般取充放电深度不小于0.5为宜,则有充放电深度表达式为:

当电梯配备断电自动平层功能时,还应考虑紧急情况下超级电容为应急系统供电的容量。所以超级电容的输出功率要大于曳引电机的额定功率,即:

式中,Pc为自动平层时超级电容输出功率(w):Py为自动平层时曳引机输出功率(w):Ic为超级电容输出电流(A)。

结合上述条件,可以得到超级电容组容量设计的约束方程:

式中,η1为超级电容储能装置的能量转换效率:72为电梯系统的能量转换效率。

在确定了电梯的额定功率、额定载重、提升高度、应急平层功率等参数后,可以按照式(6)求出合理的电容值,该电容值的最小值应能容纳电梯一次运行周期内的全部电能,同时还保留有足够余量作为应急救援EPS使用。

3经济目标分析

加装储能装置的目的在于节约运营成本,使收益达到预期目标。如在电梯全寿命期内无法回收投资,就失去了加装储能装置的意义。通过上述分析,可按照需求对超级电容储能装置的容量进行估算,以确定投资成本。

投资成本主要包括超级电容费用以及双向DC/DC变换器费用。假设超级电容单价为Qc元/个,变换器价格与功率有关,设双向DC/DC变换器单价为Qdc元/w,则能得出投资总成本Q为:

在得出投资总成本后,即可根据收益折算出回收年限。假设电梯每年节约的电量为WE,电费单价为QE元/kwh,N为投资回收年限,则有约束方程:

据国内统计,在日常维护可靠的情况下,电梯使用寿命通常为15~25年[2],超出寿命期需要进行改造、大修处理。所以在分析投资回收期时,可考虑N≤15年作为参考投资回收年限。

4现场布置方案

对既有电梯加装储能装置时,应充分考虑各专业的衔接问题。如建筑专业,包括机房预留空间、设备运输路径等:暖通专业,包括空调系统覆盖范围、通风口设置等:电气专业,包括电源接驳位置、线缆敷设路径、预留配电负荷大小、接地干线连接等。

翡翠岛广场电梯分布如表1所示,按照建筑区域,分为塔楼用梯、裙楼用梯。塔楼均配有电梯机房,而裙楼商业有18台为无机房电梯,该部分电梯的控制箱位于顶层站的厅门附近,位置如图8所示。

针对储能装置的布置,分为有机房和无机房两种情况。当进行有机房布置时,机房内只有该电梯的专用设备,主要包括电源柜、控制箱、曳引电机、承重钢梁、设备间布线及线槽等。机房内的设备相对占用面积不大,且较为独立,电梯机房内已安装有接地干线,后期加装的储能装置可以就地利用,无需再单独制作接地干线。

对于无机房电梯,由于缺少了独立机房,储能装置应选择临近直流母线一侧,以便减少双向DC/DC变换器与母线间的线缆连接长度。可考虑将储能装置布置在顶层厅门附近的设备间、强电井等位置,一是方便连接顶层的电梯控制箱内的直流母线,二是可利用设备间、强电井的接地系统就地连接。

5实验结果

按上述方案,本项目选取塔楼11#电梯、裙楼8#电梯作为改造对象,两部电梯规格参数如表2所示。为两部电梯加装超级电容储能装置,并按电梯最大行程距离,即最低层至最高层往返一次,分别按空载、半载、满载三种状态进行实验。每种工况按照储能装置投入、退出两种状态独立测试,并在各种工况下分别测试5次取算术平均值。如图9所示,测试用的电能计量表设于电梯电源进线端。塔楼11#梯、裙楼8#梯的测试结果如表3、表4所示。

通过测试结果可知,在加入超级电容储能装置后,两部客梯在半载状态下的节电率并不明显,说明平衡工况下曳引电机的大部分功率用来克服系统自身阻力,并未出现陡升的充放电效应。但在空载、满载状态下的能耗均有了显著降低。塔楼11#客梯节电率为26018%,裙楼8#客梯节电率为18055%,塔楼梯的节能效果优于裙楼梯,进一步证明了随着提升高度、载荷的增加,储能装置的节能效果也会提升。

另外,可以估算一下投资回收期。以塔楼11#客梯为例,假设每年运行次数为20万次,预计年节约电量97600kwh,电费单价0.6元/kwh:超级电容单体价格50元/个,双向DC/DC变换器单价170元/w,最高工作电压53.1V,额定电流85A,将相关参数代入式(8),得出11#客梯超级电容储能装置N≥5.6,即在6年内完成投资回收。

6建议

结合本次翡翠岛广场既有电梯加装超级电容储能装置的应用效果,提出如下建议:

(1)在参数配置时,应根据各类电梯不同的规格性能,针对性地匹配合理的超级电容容量。一方面能减少储能装置的成本,以便缩短投资回收期:另一方面,可限制储能装置设备尺寸,降低土建预留不足的风险。

(2)建筑设计应充分考虑电梯后期改造的可能性,并在机房预留足够的空间加装储能装置。尤其是建筑裙楼大多采用无机房设计时,应在就近的设备房、强电井等处考虑适合的安装条件。

(3)本次选用双向DC/DC变换器作为控制单元,通过检测母线侧电压变化进行充放电控制,系统相对较简单。其他如遗传算法、神经网络预测法等更为先进的控制策略,可进一步提高储能装置的效率。但先进的控制策略可能提高初期投资,所以应结合实际情况综合考虑。

(4)本文改造的电梯是在理想状态下进行测试的,即在空载、半载、满载的条件下按最大行程往返运行。但在现实使用中,电梯的载荷、提升高度都有不确定性。例如,办公客梯在早班通勤时,大部分时段处于重载上行、轻载下行的耗电状态:而在下班通勤时,又常处于轻载上行、重载下行的发电状态。所以,还应结合电梯本身的群控系统优势,合理调度、交通分流,进而弥补超级电容储能系统的缺陷。