专利名称：电梯节能装置及其控制方法
技术领域：
本发明涉及一种利用储能装置实现节能的电梯节能装置。本发明还涉及一种用于所述电梯节能装置的控制方法。
背景技术：
近年来，通过适当控制，使增设于电梯驱动主回路中的储能装置在电梯电机再生运行时储存再生能量、在电梯电机电动运行时释放所储能量，从而为电机的电动运行提供电能，以此来解决电梯电机运行中产生的再生能量的处理问题、同时实现电梯节能效果，已经成为电梯行业的研究热点。如中国发明专利申请公布说明书CN 101381046A、CN 1845417A、CN 1946625A、CN101817471A,中国发明专利说明书 CN 100593504C、CN 100450907C、CN1229275C 和国际申请说明书 W02010/019122AU W02010/019123AUW02010/019126AUW02010/027346A1 等。在基于储能装置的电梯节能装置中，由于受到储能装置控制器结构及其执行周期、充放电电路开关元件的开关频率以及其它物理因素的限制，当直流母线电压与储能装置端电压之间的电压比高于某一上限值时(如系统上电时，储能装置端电压为零，则其电压比为无穷大)，一个很小的母线电压误差、电梯运行所需功率的变化量、电机负载电流的变化量中的一个或多个组合会因直流母线电压与储能装置端电压之间巨大的电压比而导致储能装置充放电电流指令值的一个巨大跳变。电流指令值的巨大跳变会对电梯节能装置的性能产生极为不利的影响一方面可能会导致充放电电流在控制器的控制下无法跟踪电流指令值，甚至引起失控；另一方面，会导致储能装置的充放电电流波动剧烈。为此，可以为直流母线电压与储能装置端电压之间的电压比提前确定一个上限值，当直流母线电压与储能装置端电压之间的电压比高于该上限值时，仅仅对储能装置进行充电，使其端电压上升至或高于其上限值；当直流母线电压与储能装置端电压之间的电压比低于该上限值时，对储能装置进行正常的充放电。大电压比(直流母线电压与储能装置端电压之比高于上述上限值)这一特殊情形时的控制方法显然与正常情形(即直流母线电压与储能装置端电压之比低于上述上限值)时不同。对于如何控制大电压比这一特殊情形时的基于储能装置的电梯节能装置，以及如何实现大电压比与正常情形时基于储能装置的电梯节能装置的平稳切换，现有的公开技术中尚未涉及。因此，开发一种能够利用储能装置处理电梯运行过程中产生的再生能量并降低电梯能耗，且能保证大电压比情形时的基于储能装置的电梯节能装置的性能，以及大电压比情形时的基于储能装置的电梯节能装置的控制方法，大电压比与正常情形时基于储能装置的电梯节能装置的平稳切换就成为利用储能装置处理电梯再生能量并实现电梯节能的一个有待解决的课题
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种电梯节能装置，能够在大电压比时保证基于储能装置的电梯节能装置的性能，并且能够实现大电压比与正常情形时电梯节能装置的平稳切换；为此，本发明还要提供一种用于所述电梯节能装置的控制方法。为解决上述技术问题，本发明的电梯节能装置包括一储能装置，经一充放电电路跨接于直流母线两端，用于储存电梯电机再生运行时产生的再生能量，并在电梯电机电动运行时将所储能量释放至直流母线；一储能装置状态检测器，用于检测所述储能装置工作状态；一储能装置控制器，用于控制直流母线与所述储能装置间的能量流动；一充放电电路，设置于直流母线与所述储能装置之间，用于实现二者之间的能量双向流动；其中，所述储能装置控制器根据所述储能装置的端电压与最低工作电压之间的关系来切换所述储能装置的工作模式。本发明的用于上述电梯节能装置的控制方法包括如下步骤步骤一、根据电压控制模块、电梯运行所需功率计算模块和电机负载电流计算模块输出值的一个或多个组合生成初级电流指令值；步骤二、根据储能装置状态检测器得到的储能装置端电压判断其与最低工作电压Umin的关系；步骤三、根据储能装置端电压与最低工作电压Umin之间的关系改变限流幅值；步骤四、利用改变后的限流幅值对所述初级电流指令值进行限幅；步骤五、对限幅后的初级电流指令值进行平滑处理，得到最终的电流指令值并送入电流控制单元；步骤六、根据最终的电流指令值对所述储能装置的充放电电流进行控制，使其跟踪电流指令值。本发明可以达到的有益技术效果是储能装置根据端电压与最低工作电压之间的关系具有不同的工作模式，并可实现平稳切换，解决了在诸如系统上电初始等储能装置端电压远远低于直流母线电压这样特殊情形时的控制难题，确保了储能装置充电电流具有良好波形。与基于储能装置的电梯节能装置相关的现有技术、尤其是现已公开的专利文献针对的都是正常情形(即本发明中所指的直流母线电压与储能装置端电压之比低于其上限值这一情形)，对于大电压比(即本发明中所指的直流母线电压与储能装置端电压之比高于其上限值这一情形)这一特殊情形却没有涉及，这使得大电压比情形成为一块技术尚未覆盖到的空白。本发明则通过可变限幅方式解决了基于储能装置的电梯节能装置在大电压比情形时的控制难题，确保了此时的储能装置充电电流具有良好波形，同时还实现了电梯节能装置在大电压比情形与正常情形时的平稳切换，因此填补了现有技术空白。
下面结合附图与具体实施方式
对本发明作进一步详细的说明
图I是本发明提供的电梯节能装置一实施例总体结构示意图；图2是本发明中采用的电压控制模块一实施例结构示意图3是本发明中采用的电流控制单元一实施例结构示意图。图中符号说明I、外部电源2、整流器3、平滑直流电容4、母线电压检测装置5、能耗电路6、直流母线7、逆变器8、电流检测装置9、电梯电机10、曳引轮11、导向轮12、对重13、轿厢14、电流控制器15、速度检测装置16、速度控制器17、电梯控制器18、能耗控制器 19、充放电电路20、储能装置21、储能装置状态检测器22、储能装置控制器23、电梯控制装置。
具体实施例方式在下述说明中，规定充放电电流由直流母线流向储能装置为正、反之为负，电梯电机再生运行释放电能时的功率为正、反之为负。参见图1，在本实施例中，外部电源I与整流器2的三相交流侧相连，整流器2的两相直流侧经直流母线6与逆变器7的两相直流侧相连，平滑直流电容3和能耗电路5分别跨接于直流母线6两端，母线电压检测装置4设置在平滑直流电容3的两端，逆变器7的三相交流侧经电流检测装置8与电梯电机9相连，电梯电机9经特定结构与曳引轮10相连，轿厢13与对重12通过绳索悬吊于曳引轮10和导向轮11的两侧。电梯控制器17根据层站召唤、轿内指令或群控系统的调配命令生成电梯运行的速度指令值，速度控制器16根据电梯控制器17确定的速度指令值和速度检测装置15所检测到的电梯电机9的实际转速生成电流控制器14的电流指令值。电流控制器14根据速度控制器16生成的电流指令值和电流检测装置8的电流检测结果生成对逆变器7的控制信号。电梯控制器17、速度控制器16和电流控制器14总称为电梯控制装置23。储能装置20经充放电电路19跨接于直流母线6的两端。储能装置控制器22根据来自于储能装置状态检测器21所检测到的储能装置20的充电状态信息和母线电压检测装置4检测到的直流母线电压对充放电电路19进行控制，以此实现能量在储能装置20和直流母线6间的传递。能耗控制器18根据母线电压检测装置4检测到的直流母线电压对能耗电路5的开关元件进行开通与关断控制。在本实施例中，储能装置20的端电压由储能装置状态检测器21检测得到。所述储能装置控制器22为双闭环结构，包括如下3个子单元电流指令生成单元，根据电压控制模块、电梯运行所需功率计算模块、电机负载电流计算模块输出值的一个或多个组合来生成初级电流指令值。限幅单元，对所述初级电流指令值进行限幅得到电流控制单元的电流指令值。电流控制单元，根据限幅单元限幅后得到的电流指令值对所述储能装置的充放电电流进行控制，使其跟踪电流指令值。储能装置控制器22进一步还包括电流指令值预处理单元，通过插值和/或滤波对所述限幅单元生成的电流指令值进行平滑处理后再作为最终的电流指令值送入电流控制单元。
本发明所公开的控制方法运行于储能装置控制器22中，并且根据控制方法中所包含的各个步骤的具体内容的不同，对应于储能装置控制器22的相应子单元。具体工作过程包括如下步骤步骤1，根据电压控制模块、电梯运行所需功率计算模块、电机负载电流计算模块输出值的一个或多个组合生成初级电流指令值。所述初级电流指令值的获取有如下几种方式方式1，电压控制模块的输出。方式2，电压控制模块的输出与电梯电机负载电流之和。方式3，电压控制模块的输出与电梯运行所需功率和母线电压的商之和。所述电梯电机9的负载电流可采用如下几种方式获得方式A，直接检测直流母线电流。方式B、通过检测逆变器三相侧电流，或由交轴电流或交轴电流指令值，或力矩电流或力矩电流指令值经演算得到。方式C、由电梯运行速度、加速度和轿厢负载称量装置(图I中未示出)输出的轿厢负载情况辅以电梯系统参数等电梯相关信息经演算得到。所述电梯运行所需功率的获取有如下几种方式方式a、通过计算电梯电机的力矩或力矩电流或力矩电流指令值与角速度之积得至IJ，或是通过计算交轴电流与交轴电压指令值的乘积加上直轴电流与直轴电压指令值的乘积所得到的和，或交轴电流指令值与交轴电压指令值的乘积加上直轴电流与直轴电压指令值的乘积所得到的和，或交轴电流与交轴电压指令值的乘积加上直轴电流指令值与直轴电压指令值的乘积所得到的和，或交轴电流指令值与交轴电压指令值的乘积加上直轴电流指令值与直轴电压指令值的乘积所得到的和来获取。方式b、首先根据轿厢负载称量装置输出的轿厢负载情况、电梯运行加速度以及电梯系统参数来计算电梯的实时力矩，然后结合电梯的运行速度计算出电梯的实时功率，最后再综合考虑系统损耗、效率等因素对计算出的电梯实时功率进行适当调整后得到最终的电梯运行所需功率。方式C、由直流母线电压及其参考值确定的母线电压误差功率与方式a或b中的所述方法计算结果之和。步骤2，根据储能装置状态检测器21得到的储能装置端电压判断其与最低工作电压uIiiin的关系。所述最低工作电压是指由储能装置自身特性与电梯节能装置系统参数共同决定的储能装置进行正常充放电时的最低工作电压。所述电梯节能装置系统参数是指直流母线电压、所述储能装置控制器结构及其参数(例如，储能装置控制器为PI控制器，则其参数是指PI控制器中的P增益和I增益)及其执行周期、充放电电路参数、储能装置电流波形的一种或多种参数的组合。当储能装置自身特性与电梯节能装置系统参数已知时，即可确定储能装置的最低工作电压，表示为umin。这样，根据储能装置状态检测器检测得到的储能装置端电压即可判断其与最低工作电压Umin之间的关系。
步骤3，根据储能装置端电压与最低工作电压Umin间的关系改变限流幅值。步骤4，利用改变后的限流幅值对初级电流指令值进行限幅。在取得初级电流指令值并判断出储能装置端电压与最低工作电压Umin间的关系后，所述限幅单元依据如下方法来改变限幅幅值并对初级电流指令值进行限幅运算当ues < Umin 时，广=max
;
-Cm 当<<-‘时当Ues≥ Umin 时,
权利要求
1.一种电梯节能装置，包括 一储能装置，经一充放电电路跨接于直流母线两端，用于储存电梯电机再生运行时产生的再生能量，并在电梯电机电动运行时将所储能量释放至直流母线； 一储能装置状态检测器，用于检测所述储能装置工作状态； 一储能装置控制器，用于控制直流母线与所述储能装置间的能量流动； 一充放电电路，设置于直流母线与所述储能装置之间，用于实现二者之间的能量双向流动；其特征在于， 所述储能装置控制器根据所述储能装置的端电压与其最低工作电压之间的关系来切换所述储能装置的工作模式。
2.根据权利要求I所述的电梯节能装置，其特征在于所述最低工作电压是指由储能装置自身特性与电梯节能装置系统参数共同决定的储能装置进行正常充放电时的最低工作电压。
3.根据权利要求2所述的电梯节能装置，其特征在于所述电梯节能装置系统参数是指直流母线电压、所述储能装置控制器的结构、参数及其执行周期、充放电电路参数、储能装置电流波形的一种或多种参数的组合。
4.根据权利要求I所述的电梯节能装置，其特征在于，所述工作模式包含 单一充电模式，即储能装置在其端电压低于所述最低工作电压时所处的、或连续或间断的、仅进行单一充电却不放电从而使其端电压尽快升至其最低工作电压的工作模式； 充放电模式，即储能装置在其端电压高于或等于所述最低工作电压时所处的、通过其充放电过程实现能量经充放电电路在直流母线与储能装置间流动的工作模式。
5.根据权利要求4所述的电梯节能装置，其特征在于所述单一充电模式中的充电过程发生于储能装置端电压低于所述最低工作电压时，或者储能装置端电压低于所述最低工作电压且电梯电机处于再生运行状态时。
6.根据权利要求I所述的电梯节能装置，其特征在于，所述储能装置控制器为双闭环结构，包括如下3个子单元 电流指令生成单元，根据电压控制模块、电梯运行所需功率计算模块和电机负载电流计算模块输出值的一个或多个组合来生成初级电流指令值； 限幅单元，对所述初级电流指令值进行限幅得到电流控制单元的电流指令值； 电流控制单元，根据限幅单元限幅后得到的电流指令值对所述储能装置的充放电电流进行控制，使其跟踪电流指令值。
7.根据权利要求6所述的电梯节能装置，其特征在于所述储能装置控制器通过改变所述限幅单元的限幅幅值来实现对储能装置工作模式的切换。
8.根据权利要求6所述的电梯节能装置，其特征在于所述储能装置控制器还包括一电流指令值预处理单元，通过插值和/或滤波对所述限幅单元限幅后得到的电流指令值进行平滑处理后再作为最终的电流指令值送入电流控制单元。
9.根据权利要求6所述的电梯节能装置，其特征在于所述电压控制模块根据母线电压参考值对母线电压进行控制，实现母线电压对其参考值的跟踪。
10.根据权利要求6所述的电梯节能装置，其特征在于所述电梯运行所需功率计算模块通过如下方式得到电梯运行所需功率方式1，通过计算电梯电机的力矩或力矩电流或力矩电流指令值与角速度之积，或交轴电流与交轴电压指令值的乘积加上直轴电流与直轴电压指令值的乘积所得到的和，或交轴电流指令值与交轴电压指令值的乘积加上直轴电流与直轴电压指令值的乘积所得到的和，或交轴电流与交轴电压指令值的乘积加上直轴电流指令值与直轴电压指令值的乘积所得到的和，或交轴电流指令值与交轴电压指令值的乘积加上直轴电流指令值与直轴电压指令值的乘积所得到的和得到电梯运行所需功率； 方式2，或根据轿厢负载称量装置输出的轿厢负载情况、电梯运行加速度以及电梯系统参数来计算电梯的实时力矩，结合电梯的运行速度计算出电梯的实时功率，最后再综合考虑系统损耗、效率对计算出的电梯实时功率进行适当调整后得到最终的电梯运行所需功率； 方式3，由直流母线电压及其参考值确定的母线电压误差功率与方式I或2中的所得到的计算结果之和。
11.根据权利要求6所述的电梯节能装置，其特征在于所述电机负载电流计算模块通过如下方式获得电梯电机负载电流，直接检测直流母线电流；或是由逆变器三相侧电流，或交轴电流或交轴电流指令值，或力矩电流或力矩电流指令值经演算得到；或是由电梯运行速度、加速度和轿厢负载称量装置输出的轿厢负载情况辅以电梯系统参数经演算得到。
12.根据权利要求I所述的电梯节能装置，其特征在于所述储能装置为蓄电池、超级电容和纳米电容中的一种或多种组合，或蓄电池、超级电容和纳米电容中的一种或多种组合与燃料电池的组合。
13.根据权利要求I所述的电梯节能装置，其特征在于所述充放电电路为任意单支路或含有η条支路的双向DC-DC电力变换器，其中，n ^ 2。
14.一种如权利要求1-13中任一所述电梯节能装置的控制方法，其特征在于，包括如下步骤 步骤一、根据电压控制模块、电梯运行所需功率计算模块和电机负载电流计算模块输出值的一个或多个组合生成初级电流指令值； 步骤二、根据储能装置状态检测器得到的储能装置端电压判断其与最低工作电压Umin的关系； 步骤三、根据储能装置端电压与最低工作电压Umin之间的关系改变限流幅值； 步骤四、利用改变后的限流幅值对初级电流指令值进行限幅； 步骤五、对限幅后的电流指令值进行平滑处理，得到最终的电流指令值并送入电流控制单兀； 步骤六、根据最终的电流指令值对所述储能装置的充放电电流进行控制，使其跟踪电流指令值。
15.根据权利要求14所述的控制方法，其特征在于所述电压控制模块根据母线电压参考值对母线电压进行控制，实现母线电压对其参考值的跟踪。
16.根据权利要求14所述的控制方法，其特征在于所述电梯运行所需功率计算模块通过如下方式得到电梯运行所需功率 方式1，通过计算电梯电机的力矩或力矩电流或力矩电流指令值与角速度之积，或交轴电流与交轴电压指令值的乘积加上直轴电流与直轴电压指令值的乘积所得到的和，或交轴电流指令值与交轴电压指令值的乘积加上直轴电流与直轴电压指令值的乘积所得到的和，或交轴电流与交轴电压指令值的乘积加上直轴电流指令值与直轴电压指令值的乘积所得到的和，或交轴电流指令值与交轴电压指令值的乘积加上直轴电流指令值与直轴电压指令值的乘积所得到的和得到电梯运行所需功率； 方式2，或根据轿厢负载称量装置输出的轿厢负载情况、电梯运行加速度以及电梯系统参数来计算电梯的实时力矩，结合电梯的运行速度计算出电梯的实时功率，最后再综合考虑系统损耗、效率对计算出的电梯实时功率进行适当调整后得到最终的电梯运行所需功率； 方式3，由直流母线电压及其参考值确定的母线电压误差功率与方式I或2中的所得到的计算结果之和。
17.根据权利要求14所述的控制方法，其特征在于所述电机负载电流计算模块通过如下方式获得电梯电机负载电流，直接检测直流母线电流；或是由逆变器三相侧电流，或交轴电流或交轴电流指令值，或力矩电流或力矩电流指令值经演算得到；或是由电梯运行速度、加速度和轿厢负载称量装置输出的轿厢负载情况辅以电梯系统参数经演算得到。
18.根据权利要求14所述的控制方法，其特征在于，步骤四所述的对初级电流指令值进行限幅采用如下方法
19.根据权利要求14所述的控制方法，其特征在于，步骤四所述的对初级电流指令值进行限幅采用如下方法
20.根据权利要求14所述的控制方法，其特征在于，步骤四所述的对初级电流指令值进行限幅采用如下方法
21.根据权利要求20所述的控制方法，其特征在于，所述非负连续函数(O满足如下边界条件
22.根据权利要求14所述的控制方法，其特征在于，当限幅后得到的电流指令值与限幅前的初级电流指令值不相等时，则由限幅单元产生一信号，对电流指令生成单元中的积分累加结果进行清零。
23.根据权利要求14所述的控制方法，其特征在于步骤五所述的对限幅后的电流指令值进行平滑处理是指，通过插值和/或滤波对限幅后的电流指令值进行平滑处理。
全文摘要
本发明公开了一种电梯节能装置，包括储能装置(20)、储能装置状态检测器(21)、充放电电路(19)、储能装置控制器(22)，所述储能装置控制器根据所述储能装置的端电压与最低工作电压之间的关系来切换所述储能装置的工作模式。本发明还公开了一种用于上述电梯节能装置的控制方法。本发明在实现电梯节能的同时能够解决直流母线电压与储能装置端电压间大电压比时电梯节能装置的控制问题，以及大电压比和正常情形时电梯节能装置的控制模式切换问题。
文档编号B66B1/30GK102633170SQ20111003802
公开日2012年8月15日 申请日期2011年2月15日 优先权日2011年2月15日
发明者朱元晨, 陈玉东 申请人:上海三菱电梯有限公司