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能量回馈技术与应用范例

一、技术简介
在电梯、矿山提升机、港口起重机、工厂离心机、油田抽油机等许多场合，都会伴随着负载势能、动能的变化。比如，提升机、起重机等在下放重物时势能会减小，离心机设备在停机时，动能会减小。而由能量守恒定律我们知道，能量是不会凭空消失的，那么这部分能量通过电机转换成为了再生电能。实际上，在采用变频调速的设备里，这部分电能一般是通过能耗制动电阻再转换为热能浪费掉了。 
如果能够有一种装置，将这部分再生电能利用起来，那么不是可以省下这部分电能，起到节能降耗的效果吗？能量回馈装置就是这样一种技术。它使用的电力电子变换技术，其主要实现的作用就是将上述设备在运行过程中所产生的再生电能利用起来，并转换为所需的电能再利用，起到节电的效果。

二、能量回馈技术基本原理
该技术将运动中负载上的机械能（势能、动能）通过能量回馈装置变换成电能（再生电能）并回送给交流电网，供自身或其它用电设备使用，使电机拖动系统在单位时间消耗电网电能下降，从而达到节约电能的目的。能量回馈装置的作用就是能有效的将电动机的再生电能高效回送给交流电网，供周边用电设备使用，节电效果十分明显，一般节电率可达15%～45%。此外，由于无电阻发热元件，机房温度下降，可以节省机房空调的耗电量，在许多场合，节约空调耗电量往往带来更优的节电效果。但是，现行的国家电网不允许零星的再生电力回馈给公共电网，所以，现阶段的能源回馈装置产生的电能都是供给自身或周边的电器使用。

三、实践范例——电梯的能量回馈装置介绍
1、技术背景
随着现代化工业的高速发展，能源紧缺已成为日益突出的世界性问题。我国近年来电能供需矛盾也日益突出，节能已成为中国经济生活势在必行的选择。作为现代建筑最大“用电老虎”之一的电梯，已成为节能研发的首选。据中国电梯协会提供的信息显示，截止到2008年年底，我国电梯的保有量已达到115．3万台，居世界之首。而且，随着我国经济生活进入高速发展时期，电梯的使用量还在以年均15％—20％的速度递增。电梯作为常用的交通工具，已经成为人们日常生活不可缺少的一部分。
电梯的运行离不开电能，由于电梯在空载或轻载上行时以及满载或重载下行时曳引机会产生再生能量．并且这些再生能量必须要得到适当处理，而能量回馈技术正是解决再生能量的最佳处理方法。假如按每台电梯的平均功率是15KW，即电机连续工作1小时消耗15度电，那么消耗在制动电阻上的平均功率约为4.5KW(按电机功率的30％)。以2008年底全国在用电梯115万台计算，相当于我国有一个500万千瓦的电炉在消耗能量，浪费惊人。电梯能量回馈技术的研究就是要解决电梯运行过程中的能量浪费问题，降低电梯的能耗，这对于国民经济具有重要的社会意义和经济效益。

2、技术简介
A、电梯工作原理
下图1是四层电梯示意图，我们可以把电梯简单理解成一个两端分别悬挂轿厢和配重的定滑轮组，起滑轮作用的曳引机实际上就是一部电动机。当电动机正向或者反向旋转时，轿厢会相应的上行或者下行，实现了电梯运送乘客或者货物的目的。位于电梯控制系统中的变频器是驱动电动机运行的装置。一般来讲，电梯平衡系数为45％左右，即轿厢内放置45％左右载重时，轿厢与电梯配重的重量相当。
图1 电梯的基本结构

B、电梯能量回馈装置的基本原理
系统的主回路结构如图2所示，主要由滤波电容、三相IGBT全桥、串联电感及一些外围电路组成。电梯能量回馈系统的输入端与电梯变频器的直流母线侧相连，输出端与电网侧相连。

图2 电梯系统的主回路结构图
能量回馈装置的工作过程是：当电梯曳引机工作在电动状态时，开关器件V1~V6全部被封锁，处于关断状态。当曳引机工作在发电状态，能量累积在变频器直流母线侧，产生泵升电压，当直流母线电压超过启动有源逆变电路的工作电压Ed并满足其它逆变条件后，能量回馈系统开始工作，将直流母线上的能量回馈电网。随着这部分能量的释放，直流母线电压逐渐下降，当回落到设定值后，回馈系统停止工作。另外，连接在逆变电路与三相交流电网之间的高频磁芯扼流电抗器将吸收直流母线电压和电网线电压的差值，以减小对电网电压的影响。
C、能量回馈装置的运作方式
电梯运行时有四个工况分别是：
(1)空车上行和满载下行，即轿箱或配重较轻的一边上升，此时是系统释放势能的过程，曳引机工作在发电状态。
(2) 空车下行与满载上行，即轿箱或配重较轻的一边下降，此时系统势能在不断增加，曳引机工作在电动状态。
(3)当电梯到达所在楼层减速制动时，系统释放动能，此时曳引机也工作在发电状态。
(4)电梯在半载或在接近半载状态下运行，此时曳引机工作在平衡或接近平衡工况，这是电梯运行的最大概率工况。
当电梯运行在(1)、(3)工况时，曳引机工作在发电状态，所产生的能量通过电动机和变频器转化为变频器直流母线上的直流电能。这些能量被临时存储在变频器直流回路的大电容中，能量回馈系统是将电梯变频器直流侧大电容中储存的直流电能转换为交流电，并回送到电网。
3、电梯能量回馈装置的技术指标分析
A、节能指标分析
本文中采用了一台已安装能量回馈装置的电梯在不同工况下的耗电量与发电量进行对比，数据如下表1。
表1 某台电梯的耗电量与回馈电量

项目
耗电量
（kWh）
回馈电量
（kWh）
类型

空载上行
0.0109
0.0242
空载下行
0.0911
0.0014
5人下行
0.0572
0.0027
5人上行
0.0146
0.0052
14人下行
0.0319
0.0052
14人上行
0.0584
0.0029
21人下行
0.0101
0.0311
21人上行
0.1027
0.0014
24小时正常运行
41.57
8.66
日节电率
—
20.85%
数据来源：《电梯能量回馈装置节能效果研究》 刘大为 北京节能环保中心
结果表明，不同工况下该产品回馈电量相差较大，在5人下行过程中，轿厢和对重块处于相对平衡状态，机械势能较小，该过程耗电量0.0572kWh，而回馈只有0.0027 kWh；而在21人下行工况中，属于重载下行过程，机械势能达到最大，该过程电梯耗电0.0101kWh，而回馈电量高达0.031lkWh。由上述数据可知安装能量回馈装置节能效果显著。
B、回馈电能谐波分析
电网对电能有相位、电压、电流等方面的控制标准，这就对电能回馈装置提出了要求。回馈的电能应尽量减少回馈过程对电网的污染，即谐波的注入量。谐波对电网及系统中运行的设备、仪器会带来很大的危害。对此，国家制定了GB/T 14549-1993《电能质量公用电网谐波》规定了公用电网谐波电压限值，电流谐波限值。具体标准如下表2、表3。
表2 公用电网谐波电压标准
电网标称电压 kV
电压总谐波畸变率 %
各次谐波含有率%
奇次
偶次
0.38
5.0
4.0
2.0
6
4.0
3.2
1.6
10
35
3.0
2.4
1.2
66
110
2.0
1.6
0.8
表3 注入公共连接点的谐波电流允许值
标准电压 kV
基准短路容量 MVA
谐波次数及谐波电流允许值 A
2
3
4
5
6
7
8
9
10
0.38
10
78
62
39
62
26
44
19
21
16
6
100
43
34
21
34
14
24
11
11
8.5
同时能量回馈装置其本质是一个逆变器，GB/T 19939-2005《光伏系统并网发电技术要求》中对回馈电网的电能做出了规定，要求电流波总畸变率小于5%，各次谐波含有率如下表4。
表4 各次谐波含有率
奇次谐波次数
含有率限值%
3th~9th
4.0
11th~15th
2.0
17th~21th
1.5
23th~33th
0.6
偶次谐波次数
含有率限值%
2th~10th
1.0
12th~16th
0.5

实际运行中，各次谐波的含有率见图3。

图3能量回馈装置在试验平台上的谐波测试数据
数据来源：《能量回馈装置安全性要求解析》 常文清 薛季爱 徐国强 徐磊
上海市特种设备监督检验技术研究院
根据上述两组数据可知，电梯电能回馈装置输回电网输入端电能的总谐波失真小于5%，各次谐波含有率也小于国标要求，整体上回馈的电能指标符合国标中的各项要求。
4、能量回馈装置的优点
提高电梯性能的角度，能量回馈装置能处理由于电梯在空载或轻载上行时以及满载或重载下行时曳引机会产生再生能量；保持直流电压恒定；减少直流电容充放电次数、延长其使用寿命；实现了再生能量的再利用从而改善电梯机房温度、降低设备故障率。
节能环保的角度，能量回馈装置完成再生能量的再利用；有效减少废气、烟尘等有害物的排放；消减再生能量对电网的谐波污染；迫使电梯输入侧的功率因数单位化。

四、能源回馈装置应用现状
1、设备现状
能量回馈装置是利用运动中负载上的机械能（势能、动能）通过电机转化成电能，再由逆变、整流、滤波电路变换成交流电的装置。所以，能量回馈装置安装在系统内势能、动能会经常变化的大功率设备（起重机、提升机、离心机、抽油机四大类）上。上文中举例的电梯，属于提升机这大类中。起重机、离心机、油田抽油机在工作的一个周期中，都会产生“泵升电压”，此时使电动机变为发电机的状态，现阶段的能量回馈装置正是利用这个能量进行电能回馈，从而达到节能降耗的目的。
其次，由于起重机、提升机、离心机、油田抽油机都是使用电机带动负载进行运转，所以能量回馈装置的结构与电路架构完全相同。现阶段，不同的能量回馈装置只是逆变、整流、滤波的电路模块有所不同。其中，逆变电路可分为半控器件型(晶闸管型)结构，可控整流/有源逆变复用型，滞环控制斩波-逆变回馈方式。现行使用的整流滤波模块可分为GTR、MOSFET、IGBT、IPM等。
2、国内外应用状况
国外，为了解决电动机处于再生发电状态产生的再生能量，德国西门子公司已经推出了电机四象限运行的电压型交-直-交变频器，日本富士公司也成功研制了电源再生装置，如RHR系列、FRENIC系列电源再生单元，它把有源逆变单元从变频器中分离出来，直接作为变频器的一个外围装置，可并联到变频器的直流侧，将再生能量回馈到电网中。同时，国外有研制四象限电压型交－直－交变频器及电网侧脉冲整流器。上述装置普遍存在价格昂贵，再加上一些产品对电网的要求很高，不适合我国的国情的问题。
国内，在中小容量系统中大都采用能耗制动方式，即通过内置或外加制动电阻的方法将电能消耗在大功率电阻器中，该方法虽然简单，有如下严重缺点：
(1) 浪费能量，降低了系统的效率。
(2) 电阻发热严重，影响系统的其他部分正常工作。
(3) 有时不能及时抑制快速制动产生的泵升电压，限制了制动性能的提高。  
同时，国内关于中小容量系统能量回馈控制的研究正在进行，但基本上都处于实验阶段。
目前，国内使用能量回馈系统的大功率设备主要有，船厂、港口等地的大型起重机，矿山中提升矿石的提升机，工厂中分离物质的大型离心机，油田的大型抽油机。其次，应用最普遍的是各类大容量的电梯。

五、能源回馈装置应用前景
能量回馈技术能够在很大程度上提高设备性能，降低设备的运行能耗。因此，该项技术必然会在各类有变频设备中得到较为广泛的应用。目前，能量回馈技术已经成为了开发节能环保型中高速电梯的关键技术，同时也是电梯产品达到当前国际先进水平的标志性技术之一 。随着人们节能减排意识以及能量回馈技术对于实现设备节能的重要作用的深入认识，该项技术必将会在各行业中得到更为广泛的应用和普及。