能量回饋技術(shù)與應(yīng)用范例

1、能量回饋技術(shù)與應(yīng)用范例一、技術(shù)簡介在電梯、礦山提升機、港口起重機、工廠離心機、油田抽油機等許多場合，都會伴隨著負載勢能、動能的變化。比如，提升機、起重機等在下放重物時勢能會減小，離心機設(shè)備在停機時，動能會減小。而由能量守恒定律我們知道，能量是不會憑空消失的，那么這部分能量通過電機轉(zhuǎn)換成為了再生電能。實際上，在采用變頻調(diào)速的設(shè)備里，這部分電能一般是通過能耗制動電阻再轉(zhuǎn)換為熱能浪費掉了。 如果能夠有一種裝置，將這部分再生電能利用起來，那么不是可以省下這部分電能，起到節(jié)能降耗的效果嗎？能量回饋裝置就是這樣一種技術(shù)。它使用的電力電子變換技術(shù)，其主要實現(xiàn)的作用就是將上述設(shè)備在運行過程中所產(chǎn)生的

2、再生電能利用起來，并轉(zhuǎn)換為所需的電能再利用，起到節(jié)電的效果。二、能量回饋技術(shù)基本原理該技術(shù)將運動中負載上的機械能（勢能、動能）通過能量回饋裝置變換成電能（再生電能）并回送給交流電網(wǎng)，供自身或其它用電設(shè)備使用，使電機拖動系統(tǒng)在單位時間消耗電網(wǎng)電能下降，從而達到節(jié)約電能的目的。能量回饋裝置的作用就是能有效的將電動機的再生電能高效回送給交流電網(wǎng)，供周邊用電設(shè)備使用，節(jié)電效果十分明顯，一般節(jié)電率可達15%45%。此外，由于無電阻發(fā)熱元件，機房溫度下降，可以節(jié)省機房空調(diào)的耗電量，在許多場合，節(jié)約空調(diào)耗電量往往帶來更優(yōu)的節(jié)電效果。但是，現(xiàn)行的國家電網(wǎng)不允許零星的再生電力回饋給公共電網(wǎng)，所以，現(xiàn)階段的能源回

3、饋裝置產(chǎn)生的電能都是供給自身或周邊的電器使用。三、實踐范例電梯的能量回饋裝置介紹1、技術(shù)背景隨著現(xiàn)代化工業(yè)的高速發(fā)展，能源緊缺已成為日益突出的世界性問題。我國近年來電能供需矛盾也日益突出，節(jié)能已成為中國經(jīng)濟生活勢在必行的選擇。作為現(xiàn)代建筑最大“用電老虎”之一的電梯，已成為節(jié)能研發(fā)的首選。據(jù)中國電梯協(xié)會提供的信息顯示，截止到2008年年底，我國電梯的保有量已達到1153萬臺，居世界之首。而且，隨著我國經(jīng)濟生活進入高速發(fā)展時期，電梯的使用量還在以年均1520的速度遞增。電梯作為常用的交通工具，已經(jīng)成為人們?nèi)粘Ｉ畈豢扇鄙俚囊徊糠?。電梯的運行離不開電能，由于電梯在空載或輕載上行時以及滿載或重載下行時

4、曳引機會產(chǎn)生再生能量并且這些再生能量必須要得到適當(dāng)處理，而能量回饋技術(shù)正是解決再生能量的最佳處理方法。假如按每臺電梯的平均功率是15KW，即電機連續(xù)工作1小時消耗15度電，那么消耗在制動電阻上的平均功率約為4.5KW(按電機功率的30)。以2008年底全國在用電梯115萬臺計算，相當(dāng)于我國有一個500萬千瓦的電爐在消耗能量，浪費驚人。電梯能量回饋技術(shù)的研究就是要解決電梯運行過程中的能量浪費問題，降低電梯的能耗，這對于國民經(jīng)濟具有重要的社會意義和經(jīng)濟效益。2、技術(shù)簡介A、電梯工作原理下圖1是四層電梯示意圖，我們可以把電梯簡單理解成一個兩端分別懸掛轎廂和配重的定滑輪組，起滑輪作用的曳引機實際上就是

5、一部電動機。當(dāng)電動機正向或者反向旋轉(zhuǎn)時，轎廂會相應(yīng)的上行或者下行，實現(xiàn)了電梯運送乘客或者貨物的目的。位于電梯控制系統(tǒng)中的變頻器是驅(qū)動電動機運行的裝置。一般來講，電梯平衡系數(shù)為45左右，即轎廂內(nèi)放置45左右載重時，轎廂與電梯配重的重量相當(dāng)。圖1 電梯的基本結(jié)構(gòu)B、電梯能量回饋裝置的基本原理系統(tǒng)的主回路結(jié)構(gòu)如圖2所示，主要由濾波電容、三相IGBT全橋、串聯(lián)電感及一些外圍電路組成。電梯能量回饋系統(tǒng)的輸入端與電梯變頻器的直流母線側(cè)相連，輸出端與電網(wǎng)側(cè)相連。圖2 電梯系統(tǒng)的主回路結(jié)構(gòu)圖能量回饋裝置的工作過程是：當(dāng)電梯曳引機工作在電動狀態(tài)時，開關(guān)器件V1V6全部被封鎖，處于關(guān)斷狀態(tài)。當(dāng)曳引機工作在發(fā)電狀態(tài)

6、，能量累積在變頻器直流母線側(cè)，產(chǎn)生泵升電壓，當(dāng)直流母線電壓超過啟動有源逆變電路的工作電壓Ed并滿足其它逆變條件后，能量回饋系統(tǒng)開始工作，將直流母線上的能量回饋電網(wǎng)。隨著這部分能量的釋放，直流母線電壓逐漸下降，當(dāng)回落到設(shè)定值后，回饋系統(tǒng)停止工作。另外，連接在逆變電路與三相交流電網(wǎng)之間的高頻磁芯扼流電抗器將吸收直流母線電壓和電網(wǎng)線電壓的差值，以減小對電網(wǎng)電壓的影響。C、能量回饋裝置的運作方式電梯運行時有四個工況分別是：(1)空車上行和滿載下行，即轎箱或配重較輕的一邊上升，此時是系統(tǒng)釋放勢能的過程，曳引機工作在發(fā)電狀態(tài)。(2) 空車下行與滿載上行，即轎箱或配重較輕的一邊下降，此時系統(tǒng)勢能在不斷增加，

7、曳引機工作在電動狀態(tài)。(3)當(dāng)電梯到達所在樓層減速制動時，系統(tǒng)釋放動能，此時曳引機也工作在發(fā)電狀態(tài)。(4)電梯在半載或在接近半載狀態(tài)下運行，此時曳引機工作在平衡或接近平衡工況，這是電梯運行的最大概率工況。當(dāng)電梯運行在(1)、(3)工況時，曳引機工作在發(fā)電狀態(tài)，所產(chǎn)生的能量通過電動機和變頻器轉(zhuǎn)化為變頻器直流母線上的直流電能。這些能量被臨時存儲在變頻器直流回路的大電容中，能量回饋系統(tǒng)是將電梯變頻器直流側(cè)大電容中儲存的直流電能轉(zhuǎn)換為交流電，并回送到電網(wǎng)。3、電梯能量回饋裝置的技術(shù)指標分析A、節(jié)能指標分析本文中采用了一臺已安裝能量回饋裝置的電梯在不同工況下的耗電量與發(fā)電量進行對比，數(shù)據(jù)如下表1。表1

8、某臺電梯的耗電量與回饋電量項目耗電量（kWh）回饋電量（kWh）類型空載上行0.01090.0242空載下行0.09110.00145人下行0.05720.00275人上行0.01460.005214人下行0.03190.005214人上行0.05840.002921人下行0.01010.031121人上行0.10270.001424小時正常運行41.578.66日節(jié)電率20.85%數(shù)據(jù)來源：電梯能量回饋裝置節(jié)能效果研究 劉大為 北京節(jié)能環(huán)保中心結(jié)果表明，不同工況下該產(chǎn)品回饋電量相差較大，在5人下行過程中，轎廂和對重塊處于相對平衡狀態(tài)，機械勢能較小，該過程耗電量0.0572kWh，而回饋只有0

9、.0027 kWh；而在21人下行工況中，屬于重載下行過程，機械勢能達到最大，該過程電梯耗電0.0101kWh，而回饋電量高達0.031lkWh。由上述數(shù)據(jù)可知安裝能量回饋裝置節(jié)能效果顯著。B、回饋電能諧波分析電網(wǎng)對電能有相位、電壓、電流等方面的控制標準，這就對電能回饋裝置提出了要求?；仞伒碾娔軕?yīng)盡量減少回饋過程對電網(wǎng)的污染，即諧波的注入量。諧波對電網(wǎng)及系統(tǒng)中運行的設(shè)備、儀器會帶來很大的危害。對此，國家制定了GB/T 14549-1993電能質(zhì)量公用電網(wǎng)諧波規(guī)定了公用電網(wǎng)諧波電壓限值，電流諧波限值。具體標準如下表2、表3。表2 公用電網(wǎng)諧波電壓標準電網(wǎng)標稱電壓 kV電壓總諧波畸變率 %各次諧波

10、含有率%奇次偶次0.385.04.02.064.03.21.610353.02.41.2661102.01.60.8表3 注入公共連接點的諧波電流允許值標準電壓 kV基準短路容量 MVA諧波次數(shù)及諧波電流允許值 A23456789100.3810786239622644192116610043342134142411118.5同時能量回饋裝置其本質(zhì)是一個逆變器，GB/T 19939-2005光伏系統(tǒng)并網(wǎng)發(fā)電技術(shù)要求中對回饋電網(wǎng)的電能做出了規(guī)定，要求電流波總畸變率小于5%，各次諧波含有率如下表4。表4 各次諧波含有率奇次諧波次數(shù)含有率限值%3th9th4.011th15th2.017th21th

11、1.523th33th0.6偶次諧波次數(shù)含有率限值%2th10th1.012th16th0.5實際運行中，各次諧波的含有率見圖3。圖3能量回饋裝置在試驗平臺上的諧波測試數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)來源：能量回饋裝置安全性要求解析 常文清 薛季愛 徐國強 徐磊上海市特種設(shè)備監(jiān)督檢驗技術(shù)研究院根據(jù)上述兩組數(shù)據(jù)可知，電梯電能回饋裝置輸回電網(wǎng)輸入端電能的總諧波失真小于5%，各次諧波含有率也小于國標要求，整體上回饋的電能指標符合國標中的各項要求。4、能量回饋裝置的優(yōu)點提高電梯性能的角度，能量回饋裝置能處理由于電梯在空載或輕載上行時以及滿載或重載下行時曳引機會產(chǎn)生再生能量；保持直流電壓恒定；減少直流電容充放電次數(shù)、延長其使用

12、壽命；實現(xiàn)了再生能量的再利用從而改善電梯機房溫度、降低設(shè)備故障率。節(jié)能環(huán)保的角度，能量回饋裝置完成再生能量的再利用；有效減少廢氣、煙塵等有害物的排放；消減再生能量對電網(wǎng)的諧波污染；迫使電梯輸入側(cè)的功率因數(shù)單位化。四、能源回饋裝置應(yīng)用現(xiàn)狀1、設(shè)備現(xiàn)狀能量回饋裝置是利用運動中負載上的機械能（勢能、動能）通過電機轉(zhuǎn)化成電能，再由逆變、整流、濾波電路變換成交流電的裝置。所以，能量回饋裝置安裝在系統(tǒng)內(nèi)勢能、動能會經(jīng)常變化的大功率設(shè)備（起重機、提升機、離心機、抽油機四大類）上。上文中舉例的電梯，屬于提升機這大類中。起重機、離心機、油田抽油機在工作的一個周期中，都會產(chǎn)生“泵升電壓”，此時使電動機變?yōu)榘l(fā)電機的

13、狀態(tài)，現(xiàn)階段的能量回饋裝置正是利用這個能量進行電能回饋，從而達到節(jié)能降耗的目的。其次，由于起重機、提升機、離心機、油田抽油機都是使用電機帶動負載進行運轉(zhuǎn)，所以能量回饋裝置的結(jié)構(gòu)與電路架構(gòu)完全相同。現(xiàn)階段，不同的能量回饋裝置只是逆變、整流、濾波的電路模塊有所不同。其中，逆變電路可分為半控器件型(晶閘管型)結(jié)構(gòu)，可控整流/有源逆變復(fù)用型，滯環(huán)控制斬波-逆變回饋方式?，F(xiàn)行使用的整流濾波模塊可分為GTR、MOSFET、IGBT、IPM等。2、國內(nèi)外應(yīng)用狀況國外，為了解決電動機處于再生發(fā)電狀態(tài)產(chǎn)生的再生能量，德國西門子公司已經(jīng)推出了電機四象限運行的電壓型交-直-交變頻器，日本富士公司也成功研制了電源再生

14、裝置，如RHR系列、FRENIC系列電源再生單元，它把有源逆變單元從變頻器中分離出來，直接作為變頻器的一個外圍裝置，可并聯(lián)到變頻器的直流側(cè)，將再生能量回饋到電網(wǎng)中。同時，國外有研制四象限電壓型交直交變頻器及電網(wǎng)側(cè)脈沖整流器。上述裝置普遍存在價格昂貴，再加上一些產(chǎn)品對電網(wǎng)的要求很高，不適合我國的國情的問題。國內(nèi)，在中小容量系統(tǒng)中大都采用能耗制動方式，即通過內(nèi)置或外加制動電阻的方法將電能消耗在大功率電阻器中，該方法雖然簡單，有如下嚴重缺點：(1) 浪費能量，降低了系統(tǒng)的效率。(2) 電阻發(fā)熱嚴重，影響系統(tǒng)的其他部分正常工作。(3) 有時不能及時抑制快速制動產(chǎn)生的泵升電壓，限制了制動性能的提高。  同時，國內(nèi)關(guān)于中小容量系統(tǒng)能量回饋控制的研究正在進行，但基本上都處于實驗階段。目前，國內(nèi)使用能量回饋系統(tǒng)的大功率設(shè)備主要有，船廠、港口等地的大型起重機，礦山中提升礦石的提升機，工廠中分離物質(zhì)的大