一种节能电梯的双向DC/DC变换器的制作方法

本发明涉及特种设备技术领域，特别是一种节能电梯的双向dc/dc变换器。

背景技术：

为解决现有节能技术存在的不足和问题，减少电梯对公共电网的依赖，尽可能地利用电梯可再生能源和新绿色能源，研究基于混合能源的电梯集成控制节能系统，节能系统的关键在于解决太阳能、电梯再生能量、存储能量、电梯需求能量之间合理流动如何控制问题，从而达到合理自动调配和综合利用。因此现有技术提出了一种基于电网、太阳能、蓄电池、超级电容和回馈能量等混合能源管理的电梯集成控制节能系统模型和控制策略，解决混合能源之间能量的合理调配控制问题。该系统模型和控制策略是在现有电梯控制系统的基础上，根据整个大楼电梯日常所能回馈的总能量以及电梯本身每趟所能回馈的最高能量，分析电梯载荷流变化情况，以及电网、太阳能、蓄电池、超级电容和回馈能量等各种能量的存储状态，运用基于混沌系统的模糊神经网络预测控制策略，对混合能源管理系统中电网、太阳能、蓄电池、超级电容器和回馈能量间的dc/dc控制模块开关变量参数进行预测控制，对电网、太阳能、蓄电池、超级电容和回馈能量等混合能量之间的能量调配进行控制，实现混合能量之间的合理自动调配和综合利用，从而实现电梯最大程度的节能。

电梯节能系统中储能系统采用蓄电池组和超级电容组混合组合而成，一方面用于储存太阳能光伏系统所发出的电能以及吸收电梯在发电状态下所回馈的能量，另一方面在蓄电池组和超级电容组间也要进行能量的交换，其中超级电容组主要用于储存电梯的暂态能量，蓄电池组用于储存电梯的稳态能量。由于蓄电池模组、超级电容模组以及电梯变频器直流母线电压三者之间的电压差很大，因此需要设计两个双向变换器来连接蓄电池组、超级电容组以及电梯变频器的直流母线。现有技术的dc/dc变换器并不能满足电梯节能系统中能量储存的需要。

技术实现要素：

为克服上述问题，本发明的目的是提供一种节能电梯的双向dc/dc变换器，实现电梯中能量储存的需要，为电梯进行节能。

本发明采用以下方案实现：一种节能电梯的双向dc/dc变换器，包括多个mos管链路、多个mos管二，所述多个mos管链路包括串联一起的mos管一和电感，所述多个mos管链路与多个mos管二的数量相同，所述多个mos管链路并联后连接到直流母线电容和超级电容，所述直流母线电容经一导线与超级电容连接；所述多个mos管二中的第一个mos管二的漏极d连接到第一个mos管链路中的mos管一和电感之间，第一个mos管二的源极s与导线连接；所述多个mos管二中的第二个mos管二的漏极d连接到第二个mos管链路中的mos管一和电感之间，依次类推，所述多个mos管二中的第n个mos管二的漏极d连接到第n个mos管链路中的mos管一和电感之间，第n个mos管二的源极s与导线连接；当电梯工作再生发电时，能量由电梯逆变器的反向整流桥整流后储存在电梯变频器的直流回路的电容中，电容电压升高；此时，所述双向dc/dc变换器工作在降压模式；当电梯工作在电动状态时，能量从超级电容流向电梯，此时所述双向dc/dc变换器工作在升压模式。

进一步的，所述双向dc/dc变换器工作在降压模式，具体为：设定n为2，则双向dc/dc变换器包括2个mos管链路，2个mos管二；则降压模式分为六个工作模式分别为：

t1~t2时刻工作模式：mos管一s11导通，mos管二s12断开，直流母线能量电容电压高于超级电容电压，电感l1充电，电感l1电流上升；mos管一s21断开，mos管二s22断开，电感l2通过mos管二s22的反并联二极管向超级电容放电，电流下降；当电感l2的电流下降到零后，电路进入t2~t3时刻工作模式；

t2~t3时刻工作模式：mos管一s11导通，mos管二s12断开，电感l1继续充电；mos管一s21断开，mos管二s22断开，电感l2电流保持为零；

t3~t4时刻工作模式：mos管一s11断开，mos管二s12断开，电感l1电流通过mos管二s12的反并联二极管续流，向超级电容放电，电流下降；mos管一s21断开，mos管二s22断开，电感l2电流保持为零；

t4~t5时刻工作模式：mos管一s11断开，mos管二s12断开，电感l1继续向超级电容放电，电流继续下降；mos管一s21导通，mos管二s22断开，直流母线能量电容电压高于超级电容电压，直流母线能量向电感l2充电，电感l2电流上升；当电感l1的电流下降到零后，电路进入t5~t6时刻工作模式；

t5~t6时刻工作模式：mos管一s11断开，mos管二s12断开，电感l1电流保持为零；mos管一s21导通，mos管二s22断开，电感l2电流继续上升；

t6~t7时刻工作模式：mos管一s11断开，mos管二s12断开，电感l1电流保持为零；mos管一s21断开，mos管二s22断开，电感l2通过mos管二s22的反并联二极管向超级电容放电，电感l2电流下降；

t7时刻后工作模式：mos管一s11导通，mos管二s12断开，mos管一s21断开，mos管二s22断开，电路又重新进入t1~t2时刻，电路如此循环工作，将能量从直流母线储存至超级电容器中，超级电容吸收电梯释放出来的能力。

进一步的，所述双向dc/dc变换器工作在升压模式，具体为：设定n为2，则双向dc/dc变换器包括2个mos管链路，2个mos管二；则升压模式分为六个工作模式分别为：

t10~t20时刻工作模式：mos管一s11断开，mos管二s12断开，电感l1通过mos管一s11反并联二极管，向直流母线放电，电感l1电流下降；mos管一s21断开，mos管二s22导通，超级电容向电感l2充电，电感l2电流上升；当电感l1的电流下降到零后，电路进入t20~t30时刻工作模式；

t20~t30时刻工作模式：mos管一s11断开，mos管二s12断开，电感l1电流保持为零；mos管一s21断开，mos管二s22闭合，电感l2继续充电,，电感l2电流继续上升；

t30~t40时刻工作模式：mos管一s11断开，mos管二s12断开，电感l1的电流继续为零；mos管一s21断开，mos管二s22断开，电感l2电流通过mos管一s21的反并联二极管续流，电感l2向直流母线放电，电感l2电流下降；

t40~t50时刻工作模式：mos管一s11断开，mos管二s12导通，超级电容向电感l1充电，电感l1电流上升；mos管一s21断开，mos管二s22断开，电感l2向直流母线继续放电，电感l2电流下降；当电感l2的电流下降到零后，电路进入t50~t60时刻工作模式；

t50~t60时刻工作模式：mos管一s11断开，mos管二s12导通，电感l1继续充电，电流继续上升；mos管一s21断开，mos管二s22断开，电感l2电流继续为零；

t60~t70时刻工作模式：mos管一s11断开，mos管二s12断开，电感l1向直流母线放电，电感l1电流下降；mos管一s21断开，mos管二s22断开，电感l2电流继续为零；

t70时刻后工作模式：mos管一s11导通，mos管二s12断开，mos管一s21断开，mos管二s22断开，电路又重新进入t10~t20时刻，电路如此循环工作，将能量从超级电容器输送至直流母线中，超级电容释放出能量供电梯使用。

进一步的，所述双向dc/dc变换器应用于电梯中，设置两个双向dc/dc变换器来连接电梯的蓄电池组、电梯的超级电容组以及电梯变频器的直流母线；其中，一个双向dc/dc变换器用于匹配蓄电池组与超级电容组的电压差，另一个双向dc/dc变换器用于匹配超级电容组与电梯变频器的直流母线电压；这两个双向dc/dc变换器根据需要驱动能量在蓄电池组、超级电容组以及电梯变频器之间流动，实现电梯能量储存的需要来达到电梯节能的效果。

本发明的有益效果在于：本发明在电梯工作再生发电时，能量由电梯逆变器的反向整流桥整流后储存在电梯变频器的直流回路的电容中，电容电压升高；此时，所述双向dc/dc变换器工作在降压模式；当电梯工作在电动状态时，能量从超级电容流向电梯，此时所述双向dc/dc变换器工作在升压模式，从而实现电梯的节能；且设置两个双向dc/dc变换器来连接电梯的蓄电池组、电梯的超级电容组以及电梯变频器的直流母线；其中，一个双向dc/dc变换器用于匹配蓄电池组与超级电容组的电压差，另一个双向dc/dc变换器用于匹配超级电容组与电梯变频器的直流母线电压；这两个双向dc/dc变换器根据需要驱动能量在蓄电池组、超级电容组以及电梯变频器之间流动，实现电梯能量储存的需要来达到电梯节能的效果。

附图说明

图1是本发明的结构示意图。

图2是本发明在t1~t2时刻工作模式的结构示意图。

图3是本发明的t2~t3时刻工作模式的结构示意图。

图4是本发明在t3~t4时刻工作模式的结构示意图。

图5是本发明在t4~t5时刻工作模式的结构示意图。

图6是本发明在t5~t6时刻工作模式的结构示意图。

图7是本发明在t7时刻后工作模式的结构示意图。

图8是本发明在t10~t20时刻工作模式的结构示意图。

图9是本发明的t20~t30时刻工作模式的结构示意图。

图10是本发明在t30~t40时刻工作模式的结构示意图。

图11是本发明在t40~t50时刻工作模式的结构示意图。

图12是本发明在t50~t60时刻工作模式的结构示意图。

图13是本发明在t70时刻后工作模式的结构示意图。

图14降压式buck状态电感电流波形。

图15降压式buck状态输入输出电压波形。

图16升压式boost状态电感电流波形。

图17升压式boost状态输入输出电压波形。

图18是基于混合能源电梯集成控制节能系统原理图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步说明。

由于现有技术的整个节能系统的功率较大，本发明的变换器选择了如图1所示的电路作为系统的双向直流变换器；电路拓扑中单个支路的功率为800w，n是根据实际电路需要的功率来决定的；例如需要10kw的功率，则n可以取为13；请参阅图1所示，本发明提供了一种节能电梯的双向dc/dc变换器，包括多个mos管链路1、多个mos管二2，所述多个mos管链路1包括串联一起的mos管一11和电感12，所述多个mos管链路1与多个mos管二2的数量相同，所述多个mos管链路1并联后连接到直流母线电容3和超级电容4，所述直流母线电容3经一导线5与超级电容4连接；所述多个mos管二中的第一个mos管二的漏极d连接到第一个mos管链路中的mos管一11和电感12之间，第一个mos管二的源极s与导线5连接；所述多个mos管二中的第二个mos管二的漏极d连接到第二个mos管链路中的mos管一11和电感12之间，依次类推，所述多个mos管二中的第n个mos管二的漏极d连接到第n个mos管链路中的mos管一11和电感12之间，第n个mos管二的源极s与导线连接；当电梯工作再生发电时，能量由电梯逆变器的反向整流桥整流后储存在电梯变频器的直流回路的电容中，电容电压升高；此时，所述双向dc/dc变换器工作在降压模式；当电梯工作在电动状态时，能量从超级电容流向电梯，此时所述双向dc/dc变换器工作在升压模式。

其中，所述双向dc/dc变换器工作在降压模式，具体为：设定n为2，则双向dc/dc变换器包括2个mos管链路，2个mos管二；则降压模式分为六个工作模式分别为：

请参阅图2所示，t1~t2时刻工作模式：mos管一s11导通，mos管二s12断开，直流母线能量电容电压高于超级电容电压，电感l1充电，电感l1电流上升；mos管一s21断开，mos管二s22断开，电感l2通过mos管二s22的反并联二极管向超级电容放电，电流下降；当电感l2的电流下降到零后，电路进入t2~t3时刻工作模式；

请参阅图3所示，t2~t3时刻工作模式：mos管一s11导通，mos管二s12断开，电感l1继续充电；mos管一s21断开，mos管二s22断开，电感l2电流保持为零；

请参阅图4所示，t3~t4时刻工作模式：mos管一s11断开，mos管二s12断开，电感l1电流通过mos管二s12的反并联二极管续流，向超级电容放电，电流下降；mos管一s21断开，mos管二s22断开，电感l2电流保持为零；

请参阅图5所示，t4~t5时刻工作模式：mos管一s11断开，mos管二s12断开，电感l1继续向超级电容放电，电流继续下降；mos管一s21导通，mos管二s22断开，直流母线能量电容电压高于超级电容电压，直流母线能量向电感l2充电，电感l2电流上升；当电感l1的电流下降到零后，电路进入t5~t6时刻工作模式；

请参阅图6所示，t5~t6时刻工作模式：mos管一s11断开，mos管二s12断开，电感l1电流保持为零；mos管一s21导通，mos管二s22断开，电感l2电流继续上升；

请参阅图7所示，t6~t7时刻工作模式：mos管一s11断开，mos管二s12断开，电感l1电流保持为零；mos管一s21断开，mos管二s22断开，电感l2通过mos管二s22的反并联二极管向超级电容放电，电感l2电流下降；

t7时刻后工作模式：mos管一s11导通，mos管二s12断开，mos管一s21断开，mos管二s22断开，电路又重新进入t1~t2时刻，电路如此循环工作，将能量从直流母线储存至超级电容器中，超级电容吸收电梯释放出来的能力。

在本发明中，所述双向dc/dc变换器工作在升压模式，具体为：设定n为2，则双向dc/dc变换器包括2个mos管链路，2个mos管二；则升压模式分为六个工作模式分别为：

请参阅图8所示，t10~t20时刻工作模式：mos管一s11断开，mos管二s12断开，电感l1通过mos管一s11反并联二极管，向直流母线放电，电感l1电流下降；mos管一s21断开，mos管二s22导通，超级电容向电感l2充电，电感l2电流上升；当电感l1的电流下降到零后，电路进入t20~t30时刻工作模式；

请参阅图9所示，t20~t30时刻工作模式：mos管一s11断开，mos管二s12断开，电感l1电流保持为零；mos管一s21断开，mos管二s22闭合，电感l2继续充电,，电感l2电流继续上升；

请参阅图10所示，t30~t40时刻工作模式：mos管一s11断开，mos管二s12断开，电感l1的电流继续为零；mos管一s21断开，mos管二s22断开，电感l2电流通过mos管一s21的反并联二极管续流，电感l2向直流母线放电，电感l2电流下降；

请参阅图11所示，t40~t50时刻工作模式：mos管一s11断开，mos管二s12导通，超级电容向电感l1充电，电感l1电流上升；mos管一s21断开，mos管二s22断开，电感l2向直流母线继续放电，电感l2电流下降；当电感l2的电流下降到零后，电路进入t50~t60时刻工作模式；

请参阅图12所示，t50~t60时刻工作模式：mos管一s11断开，mos管二s12导通，电感l1继续充电，电流继续上升；mos管一s21断开，mos管二s22断开，电感l2电流继续为零；

请参阅图13所示，t60~t70时刻工作模式：mos管一s11断开，mos管二s12断开，电感l1向直流母线放电，电感l1电流下降；mos管一s21断开，mos管二s22断开，电感l2电流继续为零；

t70时刻后工作模式：mos管一s11导通，mos管二s12断开，mos管一s21断开，mos管二s22断开，电路又重新进入t10~t20时刻，电路如此循环工作，将能量从超级电容器输送至直流母线中，超级电容释放出能量供电梯使用。

综上分析，变换器的两种工作模式对应电梯的两种工作模式，再生发电运行以及电动运行。由于电梯是大功率，节能电路的输入和输出也都是大功率模式，变换器调整整个电路的功率，通过调节电感上的电流的直流分量的大小来实现，而电感电流的大小通过小时间段内调整电路的占空比实现。

根据上述分析，采用pspice软件（pspice是一个电路通用分析程序）对电路进行仿真验证。双向dc/dc变换器降压工作模式电路的各参数如下：直流母线电容的电压，超级电容上电压，超级电容的容量，两个电感，功率mos管驱动的占空比交错180°。则两个支路上电感的电流波形如图14所示，电路的输入电压及输出电压波形如图15所示。

双向dc/dc变换器升压工作模式时电路的各参数如下：直流母线电容电压，超级电容器上的电压，超级电容的容量，两个电感，功率mos管驱动的占空比交错180°。此时，在直流母线电容上并联一个200欧姆的大功率电阻，充当1500w的假负载。则两个支路上电感的电流波形如图16所示，电路的输入电压及输出电压波形如图17所示。仿真结果验证了本专利所提出的节能电路的可行性。

现有的电梯节能系统中储能系统采用蓄电池组和超级电容组混合组合而成，一方面用于储存太阳能光伏系统所发出的电能以及吸收电梯在发电状态下所回馈的能量，另一方面在蓄电池组和超级电容组间也要进行能量的交换，其中超级电容组主要用于储存电梯的暂态能量，蓄电池组用于储存电梯的稳态能量。由于蓄电池模组、超级电容模组以及电梯变频器直流母线电压三者之间的电压差很大，因此需要设计两个双向变换器来连接蓄电池组、超级电容组以及电梯变频器的直流母线。所述双向dc/dc变换器应用于电梯中，设置两个双向dc/dc变换器来连接电梯的蓄电池组、电梯的超级电容组以及电梯变频器的直流母线；其中，一个双向dc/dc变换器用于匹配蓄电池组与超级电容组的电压差，另一个双向dc/dc变换器用于匹配超级电容组与电梯变频器的直流母线电压；这两个双向dc/dc变换器根据需要驱动能量在蓄电池组、超级电容组以及电梯变频器之间流动，实现电梯能量储存的需要来达到电梯节能的效果。

另外，请参阅18所示，是基于混合能源电梯集成控制节能系统原理图。系统组成：

基于电网、太阳能、蓄电池、超级电容和回馈能量等混合能源管理的电梯集成控制节能系统。该节能系统主要有以下几部分组成：

（1）电网。供电网接入电梯点，为电梯提供运行电源。

（2）变频器、曳引机、轿厢、对重、控制等电梯系统。该部分与传统电梯一致。曳引机、轿厢、对重组成一个曳引拖动系统；控制柜、门机系统、外召、内召等组成控制系统；曳引机通过变频器变频调速，得到较柔和的速度曲线，由三相整流器、直流环节、三相逆变器组成；直流环节由滤波电容和能量释放单元构成，其中能量释放单元为全控igbt和能量释放电阻串连而成，为电梯的再生能量提供释放电路。

（3）太阳能光伏发电系统。太阳能光伏发电系统主要包括太阳能电池板、控制器、dc/dc直流调压电路等。太阳能光伏发电系统的基本单元为光伏电池极板，将所接收的太阳光能转化为电能，通过直流变换器储存在储能装置中。

（4）蓄电池组。蓄电池将化学能转化为电能，是有损转化，因此，蓄电池有受限制的充放电次数。对此，本次设计蓄电池设置两组，一组专门用于放电，一组专门用于充电，两组交替进行，从而延长蓄电池的使用寿命。它具有存储和释放能量作用，一方面存储太阳能光伏发电系统所转化的电能以及超级电容组转送过来的能量，另一方面为超级电容组补给能量。

（5）超级电容组。超级电容组由超级电容器组sc组成，与电梯变频器配合使用。超级电容器组sc由多个超级电容串联组成，同时配备均压和控制电路，主要负责电梯能量控制，即当电梯处于轻载上行、重载下行或制动停车等电机发电状态下时，回馈能量经逆变器变换为直流形式的电能，通过变换电路存储到超级电容组。超级电容组存储的电能在电梯处于电动状态时通过变换电路将电能变换给曳引机供电使用。

（6）dc/dc直流调压变换电路。直流调压变换电路是将需要进行调压的直流电压经过变换器提升到一定的直流电压，即将直流电压通过功率开关器件变换为高频开关电压，从而达到升压的目的。它是由许多混合集成功率器件组成，可以起到调整直流电压的作用，还能有效抑制电网噪声的作用。

（7）模糊神经网络预测控制系统。将模糊神经网络模型与预测控制相结合，形成一种基于粒子群算法的模糊神经网络预测控制方法，依据电梯载荷流变化情况，分析电网、太阳能、蓄电池、超级电容和回馈能量等各能量的存储状态，运用基于混沌系统的模糊神经网络预测控制策略，对混合能源管理系统中电网、太阳能、蓄电池、超级电容和回馈能量间的控制模块开关变量参数进行预测控制，实现了电网、太阳能、蓄电池、超级电容和回馈能量等混合能量之间的自动调配和综合利用，达到最大节能的目的。

为研究混合能源电梯集成控制节能系统控制模型，首先应对电梯混合能源集成控制节能系统中的电梯能量、建筑物内负载势能、太阳能发电系统、蓄电池、超级电容等各能量模型进行分析研究。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。