专利名称：一种电梯用混合储能装置及其控制方法
技术领域：
本发明涉及一种混合储能装置及其控制方法，特别涉及电梯用的混合储能装置及其控制方法。
背景技术：
在电梯的驱动系统中，一般将电网电能进行直接整流，并汇流到直流母线，形成一个直流供电系统，再经过变频器进行逆变，产生变压变频的三相交流电驱动电机。由于电机在启动或加速时会从直流母线中吸收较大的功率，导致直流母线的端电压降低；而在停机或减速时又会因为电机处于发电状态而向直流母线回馈电能，导致母线电压升高。直流母线电压波动过大，会影响系统中变频器及电梯辅助设备的工作性能。为了防止直流母线电压过高，一般要配置能量泄放回路，但会造成一定的能量损失，降低了系统的经济性。
此外，当电网停电或发生瞬时电压中断或跌落时，如果没有备用能量支撑，电梯将无法正常运行，给人员、货物和装置带来不便甚至危险。配置储能装置，如，可充电蓄电池、超级电容器、飞轮储能装置等，在电网停电、电压中断跌落时可以为直流母线提供一定时间的能量支撑，以保证人员和货物到达安全的位置。此外，储能装置还可以起到功率缓冲的作用。当负载功率增大时，储能装置输出电能，与电网一起提供所需的功率，以降低电网的功率需求；当负载产生功率回馈时，储能装置吸收一部分功率，避免母线电压过高，也可以节省泄放回路或者减小其安装容量。
可充电蓄电池是一种应用非常普遍的储能装置，如铅酸蓄电池、镉镍蓄电池、镍氢蓄电池等。将其应用于电梯的供电系统，直接与直流母线相连，或者通过充放电装置与直流母线相连，作为系统的应急电源，或者功率缓冲器。美国专利US6457565B2公开了一种电梯用应急电源。电网经过整流滤波后与直流母线汇接，采用可充电蓄电池作为储能装置，并通过可充电/放电的双向功率变换器与直流母线连接，当负荷较轻时，直流母线通过功率变换器给蓄电池充电。当由于电机电能回馈而导致母线电压升高时，直流母线通过功率变换器给蓄电池充电，并在负荷较重时释放出来以起到功率缓冲的作用。当电网停电，或者电压中断、跌落时，蓄电池通过功率变换器释放能量，以维持直流母线电压在正常的范围内，保证系统的正常工作。
将可充电蓄电池应用于电梯的供电系统，存在一定的不足之处。首先，蓄电池在工作过程中电极活性物质会发生化学变化，引起电极结构的膨胀和收缩，导致蓄电池性能衰减。在电梯的供电系统中，由于蓄电池要不断地吸收能量和释放能量，在电网供电不可靠的地区为保证不间断供电还要经常进行深度充放电，导致蓄电池使用寿命的缩短，需要经常更换，增加了系统的成本。其次，蓄电池放电后的容量恢复时间较长，电网停电恢复后，由于蓄电池的放电深度较大，一般需要经过很长的时间才能使容量恢复到一定的水平，导致电梯在停电后要经过很长的恢复时间才能再次安全运行。第三，蓄电池的功率密度较小，而电梯的功率较大，为了保证系统在电网停电时的正常运行，蓄电池需要输出很大的功率。因此，在实际设计中，要配置容量很大的蓄电池组，提高了系统的成本，降低了经济性。此外，蓄电池的充放电效率较低，需要经常维护，而且使用后的金属材料不易处理，会造成环境污染。
超级电容器是近年来出现的一种新型储能器件，目前一般认为超级电容器包括双电层电容器(Electric Double Layer Capacitor)和电化学电容器(Electrochemical Capacitor)两大类。其中，双电层电容器采用高比表面积活性炭，并基于碳电极与电解液界面上的电荷分离而产生双电层电容而工作的。电化学电容器采用RuO2等贵金属氧化物作电极，在氧化物电极表面及体相发生氧化还原反应而产生吸附电容，又称为法拉第准电容，根据电极材料的不同可分为金属氧化物和导电性高分子聚合物两类电化学电容器。由于法拉第准电容的产生机理与电池相似，在相同电极面积的情况下，它的电容量是双电层电容的几倍；但双电层电容器瞬间大电流放电的功率特性比法拉第电容器好。
超级电容器具有很好的功率特性，可以大电流、高效率、快速地充放电。由于充放电过程始终是物理过程，不发生电化学反应和电极结构的变化，因此其循环使用寿命长。此外，超级电容器还具有高低温性能良好、能量判断简单准确、无需维护和环境友好等诸多优点，正日益发展成为一种高效、实用的能量储存器件。
美国专利US6938733B2公开了一种电梯应急电源装置，超级电容器组通过一种功率调节设备与直流母线连接。当电网停电、电压跌落或中断时，超级电容器组通过功率调节设备向直流母线供电，以维持电机及电梯辅助设备的正常工作直至到达下一个楼层。超级电容器组通过功率调节设备，还可以不断地吸收或者释放能量，起到功率缓冲器的作用，以保证直流母线电压稳定而且处于正常的范围内。
尽管超级电容器具有很多优点，但其能量密度与可充电蓄电池相比较低，目前超级电容器的能量密度大约是阀控式铅酸蓄电池的20％，还不适宜于大容量的电力储能。由于电梯的功率较大，持续时间较长，如果采用超级电容器作为应急电源，需要配置很大容量的超级电容器组，才能输出所需的能量，这样会使设备过于庞大笨重。而且，目前超级电容器的价格较高，如此大容量的配置大幅度地提高了系统的成本，降低了经济性。
如果将超级电容器与可充电蓄电池混合使用，使蓄电池能量密度大与超级电容器功率密度大、循环寿命长等特点相结合，无疑会给电力储能装置带来很大的性能提高。超级电容器蓄电池混合储能装置具有较好的储能能力和功率输入输出能力，能够缩小储能装置的体积，改善可靠性。蓄电池通过一定的方式与超级电容器并联工作，可以优化蓄电池的充放电过程，减少充放电循环次数，降低内部损耗，增加放电时间，延长使用寿命。采用超级电容器蓄电池储能装置，可以大幅度地提高系统的技术性能和经济性能，是解决目前电力储能问题的一个很好的选择。在美国专利US6938733B2公开的电梯应急电源装置中，为了延长应急电源的放电时间，该专利提出了采用可充电蓄电池和超级电容器组合的设计方法，但没有给出两种储能装置的具体组合方案和能量管理方法。
发明内容
本发明的目的在于提供一种电梯用混合储能装置及其控制方法，为其在电网停电或者发生电压跌落、中断时提供应急电源；并可以为因电机工况改变而导致的母线电压波动提供功率缓冲，维持母线电压稳定，以节省泄放回路或者减小其安装容量。
本发明的混合储能装置由超级电容器组、蓄电池组、超级电容器充放电电路、蓄电池充放电电路、超级电容器充放电控制电路，以及蓄电池充放电控制电路组成。超级电容器组通过超级电容器充放电电路与直流母线连接，蓄电池组通过蓄电池充放电电路与直流母线连接，超级电容器充放电控制电路控制超级电容器充放电电路的工作，蓄电池充放电控制电路控制蓄电池充放电电路的工作。
超级电容器可以采用双电层电容器，也可以采用电化学电容器。单体超级电容器先串联组成串联支路，再将两个或者两个以上的串联支路并联，组合成超级电容器组，具体的串并联组合方案要视系统的实际情况而定。为了提高超级电容器组的容量利用率，并将单体电压限定在最高工作电压以下，超级电容器组可以采用串联均压器，还可以采用串并联转换电路。蓄电池组也是先由多个单体电池串联起来组成串联支路，再将两个或两个以上的串联支路并联组成蓄电池组，具体的串并联组合方案要视系统的实际情况而定。
超级电容器充放电电路和蓄电池充放电电路一般采用非隔离型DC/DC功率变换器，由于在实际工作过程中能量双向流动，因此要设计为双向DC/DC。本发明采用的双向DC/DC实际上是由一个降压型BUCK电路和一个升压型BOOST电路组合而成。两个电路共用一个电感器，每一个电路均有一对功率开关和功率二极管，当一个电路工作时，另一个电路的一对功率开关和功率二极管始终不工作，反之亦然。两个电路在不同的时间段交替工作，就形成了双向DC/DC。
超级电容器充放电控制电路和蓄电池充放电控制电路主要包括信号采样单元、A/D转换单元、用户指令单元、计算控制单元(CPU)、隔离驱动单元等，具体的控制管理过程则由软件实现。
信号采样单元检测系统的状态参数，包括蓄电池的电压、温度、电解液密度、充放电电流等；超级电容器的电压、充放电电流等；直流母线的电压及其变化过程；电梯的位置、载重量、速度、加速度等；以及电网电压、电压中断或跌落程度等。系统通过信号采样单元采样这些参数，产生相应的电压信号，送给A/D转换单元，A/D转换单元将转换的数字信号送给计算控制单元，作为系统控制的入口参数。
用户指令单元接受用户指令，包括电梯的升降、目的楼层等，并将这些指令送给计算控制单元，作为系统控制的入口参数。
本发明的混合储能装置及其控制方法，在实现系统功能的前提下，力争高效、节能，并能降低储能装置的安装容量，延长蓄电池的使用寿命，提高经济性。其控制思想的基本原则包括以下几点。
第一，充分发挥蓄电池充放电电路、超级电容器充放电电路的变流控制作用，合理配置蓄电池组和超级电容器组的容量，实现以较小的容量满足较大的功率需求和能量需求，降低储能装置的安装成本。
第二，使直流母线与混合储能装置之间的能量交换，尽可能多地发生在超级电容器上，而尽可能少地发生在蓄电池上，以充分发挥超级电容器功率密度大、循环寿命长、充放电效率高和速度快的优点。
第三，控制蓄电池充放电电路，优化蓄电池的充放电过程，减少充放电循环及小循环次数，或者减小放电深度，以延长使用寿命。
第四，根据电网状态、储能装置的荷电状态、电梯状态等系统信息，以及用户指令，预先判断出混合储能装置需要输出或输入的功率和能量，及时准确地控制超级电容器组和蓄电池组的工作过程，提高储能装置的快速响应能力。
本发明的工作过程是，在电梯开始运行前，按照一定的方式给超级电容器组和蓄电池组充电，使其处于一定的荷电状态。采用较大的电流给超级电容器组充电，以优化的充电方式给蓄电池组充电，如恒流充电或脉冲充电等。
电梯在启动、加速过程中通过变频器从直流母线中吸取较大的功率，导致母线电压下降，当电网电压发生短时中断、跌落时，也会导致母线电压下降。当母线电压低于一定的设定值时，超级电容器组通过充放电电路向直流母线供电，输出功率的大小要视母线功率的变化率而定，以使母线电压维持在一定范围之内。一般情况下，只通过超级电容器组就可以满足系统的峰值功率需求，但当超级电容器组因放电而导致端电压低于一定设定值时，或者根据系统状态和用户指令判断出蓄电池组需要释放一定的功率和能量时，蓄电池组通过蓄电池充放电电路恒流放电，与超级电容器组一起向直流母线供电。
当电机发生能量回馈时，直流母线的电压将会升高。当高于一定的设定值时，直流母线通过超级电容器充放电电路给超级电容器组充电，充电功率要视母线的功率变化率而定。一般情况下，只给超级电容器组充电就可以达到吸收峰值功率的目的，但当超级电容器组的端电压高于一定的设定值，或者根据系统状态和用户指令判断出蓄电池组需要吸收一定的功率和能量时，直流母线通过蓄电池充放电电路给蓄电池组充电，一般采用较为优化的恒流充电方式。
当电网停电时，混合储能装置需要给直流母线提供一定的功率和能量，以保证备用发电系统能够可靠启动并输出电能，或者保证用电设备能够安全停机，或者连续运行直至电网恢复正常供电。在应急供电过程中，控制蓄电池充放电电路，使蓄电池组以恒流方式放电，输出的功率等于电梯的平均功率；控制超级电容器充放电电路，使超级电容器组提供电梯在工作过程中的峰值功率。
在高层观光塔或矿井中，电梯或矿井提升机因为停靠点很少而运行距离很长，辅助电源需要支持较长的时间，直至电梯到达停靠点并开门。还有一些特殊应用场合，需要电梯能够在停电后继续运行数小时。采用混合储能装置，可以充分利用蓄电池能量密度大的优点，控制蓄电池充放电电路，使蓄电池组以优化的恒流方式放电。
当电网恢复正常时，为了保证安全工作(有可能出现两次停电时间间隔较短的情况)，电梯不能立即工作，而需要按照一定的方式给混合储能装置充电。采用较大的电流给超级电容器组充电，以优化的充电方法给蓄电池组充电。当蓄电池组和超级电容器组的荷电状态达到设定值时，电梯才可以重新工作。
本发明采用超级电容器蓄电池混合储能，并配备有效的控制方法，具有以下优点
(1)采用超级电容器蓄电池混合储能，能够充分发挥蓄电池能量密度大和超级电容器功率密度大、循环寿命长、充放电速度快和储能效率高的优点，使储能装置具有良好的技术性能。
(2)由于蓄电池充放电电路及其控制电路，可以优化蓄电池的充放电过程，减少充放电小循环次数，或者降低发生小循环时的放电深度，延长使用寿命。
(3)由于超级电容器充放电电路及其控制能力，超级电容器组的端电压与直流母线电压可以有很大的不同，在满足同样功率需求的前提下，超级电容器的能量利用率大为提高，减少了安装容量，降低了系统成本。
(4)由于蓄电池充放电电路和超级电容器充放电电路的变流作用，蓄电池组的端电压、超级电容器组的端电压、以及直流母线的端电压之间可以有很大的不同，使超级电容器组和蓄电池组的结构配置更为灵活。
(5)当电机发生能量回馈时，通过超级电容器充放电电路的控制作用，可以有效地吸收直流母线上的瞬间大功率，不需要采用泄放回路，或者可以大幅度减小泄放回路的安装容量，降低了功耗，节约成本。
(6)蓄电池组只通过一级DC/DC功率变换器与直流母线进行能量交换，减少了能量损耗，提高了储能效率。
本发明将超级电容器与可充电蓄电池混合使用，使蓄电池能量密度大与超级电容器功率密度大、循环寿命长等特点相结合，提高了电力储能装置的性能。超级电容器蓄电池混合储能装置具有较好的储能能力和功率输入输出能力，能够缩小储能装置的体积，改善可靠性。蓄电池通过一定的方式与超级电容器并联工作，可以优化蓄电池的充放电过程，减少充放电循环次数，降低内部损耗，增加放电时间，延长使用寿命。采用超级电容器蓄电池储能装置，可以大幅度地提高系统的技术性能和经济性能，是解决目前电力储能问题的一个很好的选择，将其用于电梯，具有很明显的优势。
图1是本发明混合储能装置应用于电梯供电系统的工作原理方框图；图2是本发明超级电容器充放电电路的双向DC/DC变换器原理图；图3是本发明蓄电池充放电电路的双向DC/DC变换器原理图；图4是本发明超级电容器充放电控制电路的原理框图；
图5是本发明蓄电池充放电控制电路的原理框图；图6是本发明混合储能装置在电梯运行前预充电控制流程图；图7是本发明混合储能装置在母线电压下降时的控制流程图；图8是本发明混合储能装置在负荷发生能量回馈时的控制流程图；图9是本发明混合储能装置在电网停电时的控制流程图；图10是本发明混合储能装置应用于多电梯供电系统的工作原理框图。
具体实施例方式
以下结合附图和具体实施方式
进一步说明本发明。
如图1所示，本发明的电梯装置包括整流器200，直流母线11，母线滤波电容300，泄放回路100，变频器901，电机及其负载902。其中，泄放回路100与直流母线11并联连接，包括泄放电阻101和泄放控制开关102。电网的三相交流电经过整流器200整流，输出供给直流母线11，母线滤波电容300对直流母线11进行滤波，变频器901的输入端与直流母线11连接，输出的三相交流驱动电机及其负载902。
本发明用于电梯的混合储能装置包括超级电容器组10、蓄电池组20、超级电容器充放电电路30、蓄电池充放电电路40、超级电容器充放电控制电路50、蓄电池充放电控制电路60。超级电容器组10通过超级电容器充放电电路30与直流母线11相连，蓄电池组20通过蓄电池充放电电路40与直流母线11相连。超级电容器充放电控制电路50控制超级电容器充放电电路30的工作，决定了超级电容器组10与直流母线11之间的能量流动过程。在电梯开始工作前，直流母线11通过超级电容器充放电电路30以较大的功率对超级电容器组10充电，直至其荷电状态达到设定值。蓄电池充放电控制电路60控制蓄电池充放电电路40的工作，决定了蓄电池组20与直流母线11之间的能量流动过程。在电梯开始工作前，直流母线11通过蓄电池充放电电路40以优化的恒流方式或脉冲方式对蓄电池组20充电，直至其荷电状态达到设定值。在工作过程中，根据系统状态和用户指令决定蓄电池组20的工作过程。当蓄电池组20需要在特定的时间内提供一定的能量时，控制蓄电池充放电电路40，使蓄电池组20以优化的恒流方式放电。当蓄电池组20需要在特定的时间内吸收一定的能量时，控制蓄电池充放电电路40，使蓄电池组20以优化的恒流方式或脉冲方式充电。
图2所示为本发明超级电容器充放电电路30的双向DC/DC变换器。由可控功率开关管32、34，功率二极管33、35，电感31，滤波电容36、37，输入输出端38、39组成。电感31的31a端与端口38的正端38a连接；电感31的31b端与功率开关管32的32a端连接，并与功率二极管33的阴极33a端连接，功率开关管32的32b端与二极管33的阳极33b连接，同时与端口38的负端38b及端口39的负端口39b连接；电感31的31b端与功率开关管34的34a端连接，并与功率二极管35的阳极35a端连接，功率开关管34的34b端与二极管35的阴极35b连接，并与端口39的正端39a连接；滤波电容36与端口38并联连接，滤波电容37与端口39并联连接。其中，可控功率开关管32和34包括但不限于MOSFET、IGBT、IGCT等，本实施例采用将IGBT功率开关器件及其驱动电路集成在一起的IPM模块，该模块内部带有过流、过热保护功能。当端口38作为输入端，端口39作为输出端时，电路为升压型DC/DC，34和33不工作，32作为可控开关管，与35一起控制电路的工作。当端口39作为输入端，端口38作为输出端时，电路为降压型DC/DC，32和35不工作，34作为可控开关管，与33一起控制电路的工作。由于直流母线11的电压较高，因此，端口38接超级电容器组10，端口39接直流母线11。当能量从超级电容器组10流向直流母线11时，为升压型DC/DC，当能量从直流母线11流向超级电容器组10时，为降压型DC/DC。
图3所示为本发明蓄电池充放电电路40的双向DC/DC变换器。由可控功率开关管42、44，功率二极管43、45，电感41，滤波电容46、47，输入输出端48、49组成。电感41的41a端与端口48的正端48a连接；电感41的41b端与功率开关管42的42a端连接，并与功率二极管43的阴极43a端连接，功率开关管42的42b端与二极管43的阳极43b连接，并与端口48的负端48b及端口49的负端49b连接；电感41的41b端与功率开关管44的44a端连接，并与功率二极管45的阳极45a端连接，功率开关管44的44b端与二极管45的阴极45b连接，并与端口49的正端49a连接；滤波电容46与端口48并联连接，滤波电容47与端口49并联连接。其中，可控功率开关管42和44包括但不限于MOSFET、IGBT、IGCT等，本实施例采用将IGBT功率开关器件及其驱动电路集成在一起的IPM模块，该模块内部带有过流、过热保护功能。由于直流母线11的电压较高，因此，端口48接蓄电池组20，端口49接直流母线11。这样，当能量从蓄电池组20流向直流母线11时，为升压型DC/DC，当能量从直流母线11流向蓄电池组20时，为降压型DC/DC。
如图4所示，本发明超级电容器充放电控制电路50包括信号采样单元51，A/D转换单元52，用户指令单元53，计算控制单元54，以及隔离驱动单元55。其中，计算控制单元54包括但不限于数字信号处理器DSP，单片机，嵌入式系统等。信号采样单元51分别采用电压传感器、电流传感器、温度传感器、速度传感器、加速度传感器、位置传感器、浓度传感器、称重传感器对系统的状态参数进行采样，包括，电网电压，母线电压，电梯的位置、载重量、速度和加速度，超级电容器组10的电压和充放电电流，蓄电池组20的电压、温度、电解液密度和充放电电流等。输出电压信号送给A/D转换单元52，并将转化的数字信号送给计算控制单元54。用户指令单元53将用户指令送给计算控制单元54，包括电梯的升降、目的楼层等。计算控制单元54按照设定的控制过程输出控制信号，经过隔离驱动单元55，驱动超级电容器充放电电路30中的功率开关管32和34，实现控制过程。设定的控制过程包括在电机运行前，控制功率开关管32不工作，驱动34，直流母线11给超级电容器组10供电；在电梯的启动、加速过程中，控制功率开关管[34]不工作，驱动32，超级电容器组10向直流母线11提供能量；在电梯产生能量回馈过程中，控制开关管32不工作，驱动34，直流母线11给超级电容器组10供电；在电网停电过程中，控制功率开关管34不工作，驱动32，超级电容器组10向直流母线11提供能量。
如图5所示，本发明蓄电池充放电控制电路60包括信号采样单元61，A/D转换单元62，用户指令单元63，计算控制单元64，以及隔离驱动单元65。其中，计算控制单元54包括但不限于数字信号处理器DSP，单片机，嵌入式系统等。信号采样单元61分别采用电压传感器、电流传感器、温度传感器、速度传感器、加速度传感器、位置传感器、浓度传感器、称重传感器对系统的状态参数进行采样，包括，电网电压，母线电压，电梯的位置、载重量、速度和加速度，超级电容器组10的电压和充放电电流，蓄电池组20的电压、温度、电解液密度和充放电电流等。输出的电压信号送给A/D转换单元62，并将转换的数字信号送给计算控制单元64。用户指令单元63将用户指令送给计算控制单元64，包括电梯的升降、目的楼层等。计算控制单元64按照设定的控制过程输出控制信号，经过隔离驱动单元65，驱动蓄电池充放电电路40中的功率开关管42和44，实现控制过程。设定的控制过程包括在电机运行前，控制功率开关管42不工作，驱动44，直流母线11给蓄电池组20供电；在电梯的启动、加速过程中，若超级电容器组10的端电压下降到一定设定值时，控制功率开关管44不工作，驱动42，向直流母线11提供能量；在电梯产生能量回馈过程中，若超级电容器组10的端电压上升到一定的设定值时，控制开关管42不工作，驱动44，直流母线11给蓄电池组20供电；在电网停电过程中，控制功率开关管44不工作，驱动42，向直流母线11提供能量，其输出功率等于电梯在工作过程中的平均功率。
在实际应用中，超级电容器充放电控制电路50和蓄电池充放电控制电路60共用信号采集单元、A/D转换单元，以及用户指令单元，计算控制单元可以采用一个CPU，也可以采用多个CPU，多个CPU之间具有数据通讯通道。
电梯在开始运行前，电网通过整流器200给直流母线11供电，为其建立起工作电压。混合储能装置开始预充电，充电过程如图6所示。根据系统状态和用户指令，包括电梯位置、载重量、升降距离等，决定蓄电池组20和超级电容器组10应该达到的荷电状态。直流母线11通过超级电容器充放电电路30给超级电容器组10充电，充电功率较大，以使其荷电状态较快地达到设定的要求。在这个工作过程中，功率开关管32始终断开，超级电容器充放电控制电路50输出的驱动信号控制开关管34，控制直流母线11向超级电容器组10的供电过程。同时，直流母线11通过蓄电池充放电电路40给蓄电池组20充电，采用优化的恒流充电或脉冲充电方式。在这个工作过程中，功率开关管42始终断开，蓄电池充放电控制电路60输出驱动信号控制开关管44，控制直流母线11向蓄电池组20的供电过程。当超级电容器组10和蓄电池组20的荷电状态达到了设定值，停止充电，电梯准备就绪，可以运行。
电梯在启动、加速过程中，功率需求加大，导致直流母线11电压降低；此外，当电网电压发生中断、跌落时，也会引起母线电压将低。混合储能装置向直流母线11供电，以使其电压维持在一定的范围内，过程如图7所示。超级电容器组10通过超级电容器充放电电路30给直流母线11供电。在这个过程中，功率开关管34始终断开，超级电容器充放电控制电路50输出的控制信号驱动功率开关管32，控制超级电容器组10向直流母线11的供电过程。一般情况下，只通过超级电容器组10的放电就可以满足系统要求，但当超级电容器组10持续放电而导致其端电压下降到一定设定值时，或者根据系统状态和用户指令判断出蓄电池组20需要释放一定的功率和能量时，蓄电池组20通过蓄电池充放电电路40向直流母线11供电。在这个过程中，功率开关管44始终断开，蓄电池充放电控制电路60输出的驱动信号控制功率开关管42，控制蓄电池组20向直流母线11的供电过程。蓄电池组20一般工作于较优化的恒流放电方式。检测超级电容器组10和蓄电池组20的荷电状态，如果低于一定的设定值，控制电梯安全停机，混合储能装置停止供电。
电梯在减速、停机过程中，电机处于发电状态，并通过变频器901向直流母线11馈电，导致母线电压升高。混合储能装置以一定的方式吸收这部分功率和能量，过程如图8所示。超级电容器充放电控制电路50控制超级电容器充放电电路30，使直流母线11通过超级电容器充放电电路30给超级电容器组10充电。在这个工作过程中，功率开关管32始终断开，超级电容器充放电控制电路60输出的驱动信号控制开关管34，控制直流母线11向超级电容器组10的供电过程。一般情况下，只给超级电容器组10充电就可以达到吸收峰值功率的目的，但当超级电容器组10持续充电而导致其端电压上升到一定设定值时，或者由系统状态和用户指令判断出蓄电池组20需要吸收一部分功率或能量时，蓄电池充放电控制电路60控制蓄电池充放电电路40，直流母线11通过蓄电池充放电电路40给蓄电池组20充电。在这个过程中，功率开关管42始终断开，蓄电池充放电控制电路60输出的驱动信号控制功率开关管44，控制直流母线11向蓄电池组20的供电过程。一般蓄电池组20工作于优化的恒流充电方式。当超级电容器组10和蓄电池组20充电至设定荷电状态而直流母线11的端电压仍然高于设定的电压值时，泄放回路100中的控制开关102闭合，直流母线11通过泄放电阻101放电，直至其端电压下降到设定的电压值，控制开关102断开。
当电网停电时，由混合储能装置提供电梯正常运行所需的功率和能量，实现不间断供电，过程如图9所示。蓄电池组20通过蓄电池充放电电路40给直流母线11供电，蓄电池组20恒流放电，其输出功率等于电梯运行过程中的平均功率。在这个过程中，功率开关管44始终断开，蓄电池充放电控制电路60输出的驱动信号控制功率开关管42，控制蓄电池组20向直流母线11的供电过程。超级电容器组10通过超级电容器充放电电路30给直流母线11供电，主要用于提供电梯在启动、加速时的峰值功率需求，并在电梯减速、停机等功率需求较低时接受直流母线11的充电。在这个过程中，超级电容器充放电控制电路50输出的驱动信号控制功率开关管32和34在不同的时间段交替工作，实现能量的双向流动。混合储能装置持续工作，直至电梯继续运行至下一楼层并打开电梯门，或者其它备用发电设备启动并输出电能，或者连续运行直至电网恢复供电。如果停电时间过长，蓄电池组20和超级电容器组10的荷电状态低于设定的下限值，系统控制电梯在适当的楼层安全停机，并停止混合储能装置的供电。
图10是本发明混合储能装置在多电梯供电系统中的应用实施例。在图1所示系统的基础上，电网通过整流电路200整流并将产生的直流电传送给公共直流母线11，公共直流母线11驱动多组由变频器901和电机902组成的负荷90，在本实施例中，所有电梯装置通过公共直流母线11共用一套泄放回路100(包括泄放电组101和泄放控制开关102)。
混合储能装置的工作过程和控制方法与图1所示实施例相似。本实施例的优点在于，通过一组公共直流母线11驱动多组负荷90，可以充分发挥各负荷之间因工作过程不同步而出现的能量互补作用，这样可以进一步缩小混合储能装置的安装容量，减少超级电容器组10和蓄电池组20的工作过程，提高了能量利用效率。
权利要求
1.一种电梯用的混合储能装置，其特征在于包括超级电容器组[10]，蓄电池组[20]，超级电容器充放电电路[30]，蓄电池充放电电路[40]，超级电容器充放电控制电路[50]，蓄电池充放电控制电路[60]；超级电容器组[10]通过超级电容器充放电电路[30]与直流母线[11]连接，蓄电池组[20]通过蓄电池充放电电路[40]与直流母线[11]连接；超级电容器充放电控制电路[50]控制超级电容器充放电电路[30]的工作过程，蓄电池充放电控制电路[60]控制蓄电池充放电电路[40]的工作过程；超级电容器充放电电路[30]和蓄电池充放电电路[40]采用非隔离型双向DC/DC功率变换器；超级电容器充放电控制电路[50]包括信号采样单元[51]，A/D转换单元[52]，用户指令单元[53]，计算控制单元[54]，以及隔离驱动单元[55]；蓄电池充放电控制电路[60]包括信号采样单元[61]，A/D转换单元[62]，用户指令单元[63]，计算控制单元[64]，以及隔离驱动单元[65]；在超级电容器充放电控制电路[50]中，信号采样单元[51]采集系统参数，输出电压信号送给A/D转换单元[52]，A/D转换单元[52]将转换的数字信号送给计算控制单元[54]，用户指令单元[53]将用户指令送给计算控制单元[54]，计算控制单元[54]输出控制信号送给隔离驱动单元[55]；在蓄电池充放电控制电路[60]中，信号采样单元[61]采集系统参数，输出电压信号送给A/D转换单元[62]，A/D转换单元[62]将转换的数字信号送给计算控制单元[64]，用户指令单元[63]将用户指令送给计算控制单元[64]，计算控制单元[54]输出控制信号送给隔离驱动单元[65]。
2.如权利要求1所述的电梯用混合储能装置，其特征在于超级电容器充放电电路[30]的双向DC/DC功率变换器由可控功率开关管[32和34]，功率二极管[33和35]，电感[31]，滤波电容[36和37]，输入输出端[38和39]组成；电感[31]的31a端与端口[38]的正端38a连接；电感[31]的31b端与功率开关管[32]的32a端及功率二极管[33]的阴极33a端连接，功率开关管[32]的32b端与二极管[33]的阳极33b连接，并与端口[38]的负端38b及端口[39]的负端39b连接；电感[31]的31b端与功率开关管[34]的34a端及功率二极管[35]的阳极35a端连接，功率开关管[34]的34b端与二极管[35]的阴极35b连接，并与端口[39]的正端39a连接；滤波电容[36]与端口[38]并联连接，滤波电容[37]与端口[39]并联连接。
3.如权利要求1所述的电梯用混合储能装置，其特征在于蓄电池充放电电路[40]的双向DC/DC功率变换器由可控功率开关管[42和44]、功率二极管[43和45]、电感[41]、滤波电容[46和47]、输入输出端[48和49]组成；电感[41]的41a端与端口[48]的正端48a连接；电感[41]的41b端与功率开关管[42]的42a端和功率二极管[43]的阴极43a端连接，功率开关管[42]的42b端与二极管[43]的阳极43b连接，并与端口[48]的负端48b及端口[49]的负端49b连接；电感[41]的41b端与功率开关管[44]的44a端及功率二极管[45]的阳极45a端连接，功率开关管[44]的44b端与二极管[45]的阴极45b连接，并与端口[49]的正端49a连接；滤波电容[46]与端口[48]并联连接，滤波电容[47]与端口[49]并联。
4.如权利要求1所述的电梯用混合储能装置，其特征在于所述混合储能装置应用于多电梯的供电系统，各个电梯电机[902]通过变频器[901]与公共直流母线[11]相连，并共用一个泄放回路[100]。
5.一种用于权利要求1所述的电梯用混合储能装置的控制方法，其特征在于超级电容器充放电控制电路[50]中的信号采样单元[51]采样电网电压，母线电压，电梯位置、载重量、速度和加速度，超级电容器组[10]的电压和充放电电流，蓄电池组[20]的电压、温度、电解液密度和充放电电流等状态参数，输出电压信号送给A/D转换单元[52]，A/D转换单元[52]将转换的数字信号送给计算控制单元[54]；用户指令单元[53]将用户指令送给计算控制单元[54]，计算控制单元[54]按照设定的控制过程输出控制信号，经过隔离驱动单元[55]，驱动超级电容器充放电电路[30]中的功率开关管[32和34]，实现控制过程；设定的控制过程包括在电机运行前，控制功率开关管[32]不工作，驱动[34]，直流母线[11]给超级电容器组[10]供电；在电梯的启动、加速过程中，控制功率开关管[34]不工作，驱动[32]，向直流母线[11]提供能量；在电梯产生能量回馈过程中，控制开关管[32]不工作，驱动[34]，直流母线[11]给超级电容器组[10]供电；在电网停电过程中，控制功率开关管[34]不工作，驱动[32]，向直流母线[11]提供能量；蓄电池充放电控制电路[60]的信号采样单元[61]采样电网电压，母线电压，电梯位置、载重量、速度和加速度，超级电容器组[10]的电压和充放电电流，蓄电池组[20]的电压、温度、电解液密度和充放电电流等状态参数，输出电压信号送给A/D转换单元[62]，A/D转换单元[62]将转换的数字信号送给计算控制单元[64]；用户指令单元[63]将用户指令送给计算控制单元[64]，计算控制单元[64]按照设定的控制过程输出控制信号，经过隔离驱动单元[65]，驱动超级电容器充放电电路[40]中的功率开关管[42]和[44]，实现控制过程；设定的控制过程包括在电机运行前，控制功率开关管[42]不工作，驱动[44]，直流母线[11]给蓄电池组[20]供电；在电梯的启动、加速过程中，若超级电容器组[10]的端电压下降到一定设定值时，控制功率开关管[44]不工作，驱动[42]，蓄电池组[20]向直流母线[11]提供能量；在电梯产生能量回馈过程中，若超级电容器组[10]的端电压上升到一定的设定值时，控制开关管[42]不工作，驱动[44]，直流母线[11]给蓄电池组[20]供电；在电网停电过程中，控制功率开关管[44]不工作，驱动[42]，蓄电池组[20]向直流母线[11]提供能量，其输出功率等于电梯在工作过程中的平均功率。
6.一种如权利要求5所述的电梯用的混合储能装置控制方法，其特征在于超级电容器充放电控制电路[50]控制超级电容器充放电电路[30]，在电梯开始工作前，直流母线[11]通过超级电容器充放电电路[30]以较大的功率对超级电容器组[10]充电，直流母线[11]通过蓄电池充放电电路[40]以优化的恒流方式或脉冲方式对蓄电池组[20]充电，直至其荷电状态达到设定值。
7.一种如权利要求5所述的电梯用的混合储能装置控制方法，其特征在于蓄电池充放电控制电路[60]控制控制蓄电池充放电电路[40]，根据系统状态和用户指令决定蓄电池组[20]的工作过程；当蓄电池组[20]需要在特定的时间内提供一定的能量时，控制蓄电池充放电电路[40]，使蓄电池组[20]以优化的恒流方式放电；当蓄电池组[20]需要在特定的时间内吸收一定的能量时，控制蓄电池充放电电路[40]，使蓄电池组[20]以优化的恒流方式或脉冲方式充电。
全文摘要
一种电梯用混合储能装置及其控制方法，包括超级电容器组[10]，蓄电池组[20]，超级电容器充放电电路[30]，蓄电池充放电电路[40]，超级电容器充放电控制电路[50]，蓄电池充放电控制电路[60]。超级电容器组[10]通过超级电容器充放电电路[50]与电梯供电系统中的直流母线连接，蓄电池组[20]通过蓄电池充放电电路[40]与直流母线连接。本发明通过控制超级电容器充放电控制电路[50]和蓄电池充放电控制电路[60]，可以实现不间断供电和功率缓冲功能；使超级电容器组[10]和蓄电池组[20]的安装容量最小化，节约了成本；使蓄电池组[20]处于优化的充放电工作状态，减少充放电循环次数，或者减小放电深度，延长使用寿命；可以节省泄放回路或者减小其安装容量，节约了空间，降低了能耗。在本发明的混合电源装置中，蓄电池组[20]只通过一级DC/DC与直流母线进行能量交换，储能效率大为提高。
文档编号H02J7/34GK1835329SQ200610011629
公开日2006年9月20日 申请日期2006年4月10日 优先权日2006年4月10日
发明者冯之钺, 齐智平, 唐西胜, 韦统振, 王司博 申请人:中国科学院电工研究所