基于超級(jí)電容的電梯雙向儲(chǔ)能系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用研究

引言

翡翠島廣場位于深圳市鹽田區(qū),項(xiàng)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(shè)有2層地下室。項(xiàng)目共設(shè)垂直電梯46臺(tái)、自動(dòng)扶梯30臺(tái)。預(yù)計(jì)項(xiàng)目投運(yùn)后,電費(fèi)開支將占到維持運(yùn)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(yùn)行,即電梯在輕載上行、重載下行時(shí),曳引電機(jī)處于發(fā)電狀態(tài)。如將電機(jī)發(fā)電時(shí)的回饋電能儲(chǔ)存起來,在電機(jī)電動(dòng)狀態(tài)下重新利用,則能有效節(jié)約電梯能耗。儲(chǔ)能元件可選用比鋰離子電池充放電速度更快的超級(jí)電容,以滿足電梯復(fù)雜的運(yùn)行工況。為此,擬對該項(xiàng)目既有電梯加裝超級(jí)電容雙向儲(chǔ)能裝置,從而節(jié)約電能消耗,降低運(yùn)營成本。

1超級(jí)電容介紹

超級(jí)電容作為近年來推行的新型儲(chǔ)能材料,在軌道交通、新能源汽車、軍工等領(lǐng)域已取得一定的實(shí)踐成果,具有較大的研究潛力。與鋰離子電池相比,超級(jí)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(shí)際應(yīng)用中高達(dá)50萬~100萬次。

超級(jí)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(jí)電容單體串并聯(lián)組合成工作組,以實(shí)現(xiàn)需要的工作電壓和存儲(chǔ)容量。

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

超級(jí)電容儲(chǔ)能的計(jì)算公式為:

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

2超級(jí)電容雙向儲(chǔ)能系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1雙向儲(chǔ)能裝置結(jié)構(gòu)及原理

超級(jí)電容雙向儲(chǔ)能裝置如圖3虛線、圖4所示,主要由超級(jí)電容工作組sC、應(yīng)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(dāng)電梯處于輕載上行、重載下行、減速運(yùn)行、停車制動(dòng)等發(fā)電狀態(tài)時(shí),再生電能反向流經(jīng)逆變器轉(zhuǎn)換為直流狀態(tài),此時(shí)雙向DC/DC變換器切換為Buck降壓模式,將回饋電能儲(chǔ)存在超級(jí)電容組內(nèi)。當(dāng)電梯處于輕載下行、重載上行、加速運(yùn)行、行車啟動(dòng)等耗電狀態(tài)時(shí),雙向DC/DC變換器切換為Boost升壓模式,將超級(jí)電容組儲(chǔ)存的電能轉(zhuǎn)給曳引機(jī)供電,同時(shí),還可通過應(yīng)急電源EPS將多余電能轉(zhuǎn)給電梯輔助系統(tǒng)供電。應(yīng)急電源EPS設(shè)兩個(gè)輸入端,一路為三相交流電網(wǎng),一路為超級(jí)電容組,輸出為三相220V電源,供電梯應(yīng)急情況使用。

2.2超級(jí)電容儲(chǔ)能分區(qū)設(shè)計(jì)

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

(1)I區(qū)為功率補(bǔ)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(chǔ)存在該區(qū)。為確保儲(chǔ)能裝置應(yīng)急電源EPS的可靠使用,設(shè)閾值Va,當(dāng)放電至Va以下時(shí),超級(jí)電容停止對EPS供電,EPS切換為電網(wǎng)供電。

(2)b區(qū)為應(yīng)急功能區(qū),當(dāng)電梯配有斷電自動(dòng)平層、應(yīng)急照明等救援功能時(shí),可實(shí)現(xiàn)緊急供電,并設(shè)閾值V<限制其饋電,且有V<3Va。

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

2.3超級(jí)電容容量設(shè)計(jì)

目前超級(jí)電容單體的價(jià)格較為昂貴,如儲(chǔ)能裝置的電容量配置過高,將導(dǎo)致設(shè)備體積龐大,儲(chǔ)能空間利用不充分,達(dá)不到經(jīng)濟(jì)的目的:如電容量配置過低,超級(jí)電容會(huì)經(jīng)常處于飽和狀態(tài),多余的再生能量只能通過制動(dòng)電阻消耗掉,從而降低使用效率。這里筆者根據(jù)電梯運(yùn)行過程中能量交換的特點(diǎn),對超級(jí)電容的合理容量進(jìn)行測算。

圖6、圖7分別為電梯在輕載運(yùn)行、重載運(yùn)行時(shí),由底層至頂層再返回底層一個(gè)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(yùn)行的始末位置不變的情況下,曳引電機(jī)輸出總功率為零。但由于存在機(jī)械效率、系統(tǒng)損耗的原因,實(shí)際電機(jī)還需克服自身阻力才能運(yùn)行。

超級(jí)電容的功率補(bǔ)償區(qū)容量應(yīng)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(gè)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(gè)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(yīng)匹配的超級(jí)電容容量也應(yīng)據(jù)此設(shè)計(jì)。

超級(jí)電容容量除了滿足最大吸收能量Wmax外,還應(yīng)保證運(yùn)行安全及效率指標(biāo)。為提高充放電效率,同時(shí)避免過充電、過放電造成超級(jí)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(dá)式為:

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

式中,Pc為自動(dòng)平層時(shí)超級(jí)電容輸出功率(w):Py為自動(dòng)平層時(shí)曳引機(jī)輸出功率(w):Ic為超級(jí)電容輸出電流(A)。

結(jié)合上述條件,可以得到超級(jí)電容組容量設(shè)計(jì)的約束方程:

式中,η1為超級(jí)電容儲(chǔ)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(yīng)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(yīng)能容納電梯一次運(yùn)行周期內(nèi)的全部電能,同時(shí)還保留有足夠余量作為應(yīng)急救援EPS使用。

3經(jīng)濟(jì)目標(biāo)分析

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

投資成本主要包括超級(jí)電容費(fèi)用以及雙向DC/DC變換器費(fèi)用。假設(shè)超級(jí)電容單價(jià)為Qc元/個(gè),變換器價(jià)格與功率有關(guān),設(shè)雙向DC/DC變換器單價(jià)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(shè)電梯每年節(jié)約的電量為WE,電費(fèi)單價(jià)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(jì),在日常維護(hù)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(jìn)行改造、大修處理。所以在分析投資回收期時(shí),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(chǔ)能裝置時(shí),應(yīng)充分考慮各專業(yè)的銜接問題。如建筑專業(yè),包括機(jī)房預(yù)留空間、設(shè)備運(yùn)輸路徑等:暖通專業(yè),包括空調(diào)系統(tǒng)覆蓋范圍、通風(fēng)口設(shè)置等:電氣專業(yè),包括電源接駁位置、線纜敷設(shè)路徑、預(yù)留配電負(fù)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(jī)房,而裙樓商業(yè)有18臺(tái)為無機(jī)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(chǔ)能裝置的布置,分為有機(jī)房和無機(jī)房兩種情況。當(dāng)進(jìn)行有機(jī)房布置時(shí),機(jī)房內(nèi)只有該電梯的專用設(shè)備,主要包括電源柜、控制箱、曳引電機(jī)、承重鋼梁、設(shè)備間布線及線槽等。機(jī)房內(nèi)的設(shè)備相對占用面積不大,且較為獨(dú)立,電梯機(jī)房內(nèi)已安裝有接地干線,后期加裝的儲(chǔ)能裝置可以就地利用,無需再單獨(dú)制作接地干線。

對于無機(jī)房電梯,由于缺少了獨(dú)立機(jī)房,儲(chǔ)能裝置應(yīng)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(chǔ)能裝置布置在頂層廳門附近的設(shè)備間、強(qiáng)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(shè)備間、強(qiáng)電井的接地系統(tǒng)就地連接。

5實(shí)驗(yàn)結(jié)果

按上述方案,本項(xiàng)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(jí)電容儲(chǔ)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(jìn)行實(shí)驗(yàn)。每種工況按照儲(chǔ)能裝置投入、退出兩種狀態(tài)獨(dú)立測試,并在各種工況下分別測試5次取算術(shù)平均值。如圖9所示,測試用的電能計(jì)量表設(shè)于電梯電源進(jìn)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(jí)電容儲(chǔ)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(jī)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(yīng)。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(jìn)一步證明了隨著提升高度、載荷的增加,儲(chǔ)能裝置的節(jié)能效果也會(huì)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(shè)每年運(yùn)行次數(shù)為20萬次,預(yù)計(jì)年節(jié)約電量97600kwh,電費(fèi)單價(jià)0.6元/kwh:超級(jí)電容單體價(jià)格50元/個(gè),雙向DC/DC變換器單價(jià)170元/w,最高工作電壓53.1V,額定電流85A,將相關(guān)參數(shù)代入式(8),得出11#客梯超級(jí)電容儲(chǔ)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(jí)電容儲(chǔ)能裝置的應(yīng)用效果,提出如下建議:

(1)在參數(shù)配置時(shí),應(yīng)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(jí)電容容量。一方面能減少儲(chǔ)能裝置的成本,以便縮短投資回收期:另一方面,可限制儲(chǔ)能裝置設(shè)備尺寸,降低土建預(yù)留不足的風(fēng)險(xiǎn)。

(2)建筑設(shè)計(jì)應(yīng)充分考慮電梯后期改造的可能性,并在機(jī)房預(yù)留足夠的空間加裝儲(chǔ)能裝置。尤其是建筑裙樓大多采用無機(jī)房設(shè)計(jì)時(shí),應(yīng)在就近的設(shè)備房、強(qiáng)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(jìn)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(luò)預(yù)測法等更為先進(jìn)的控制策略,可進(jìn)一步提高儲(chǔ)能裝置的效率。但先進(jìn)的控制策略可能提高初期投資,所以應(yīng)結(jié)合實(shí)際情況綜合考慮。

(4)本文改造的電梯是在理想狀態(tài)下進(jìn)行測試的,即在空載、半載、滿載的條件下按最大行程往返運(yùn)行。但在現(xiàn)實(shí)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(shí),大部分時(shí)段處于重載上行、輕載下行的耗電狀態(tài):而在下班通勤時(shí),又常處于輕載上行、重載下行的發(fā)電狀態(tài)。所以,還應(yīng)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(jìn)而彌補(bǔ)超級(jí)電容儲(chǔ)能系統(tǒng)的缺陷。