上海三菱電梯有限公司 徐衛(wèi)玉 吳國良

0 引言

隨著社會的不斷進(jìn)步、經(jīng)濟(jì)的持續(xù)發(fā)展、科技水平的逐步提高以及全球資源和環(huán)境問題的日益突出，電網(wǎng)發(fā)展面臨著新的挑戰(zhàn)。依靠現(xiàn)代的信息技術(shù)、先進(jìn)的電力電子技術(shù)和智能的控制技術(shù)，積極發(fā)展智能型電網(wǎng)，適應(yīng)未來可持續(xù)發(fā)展，已成國際電網(wǎng)發(fā)展的現(xiàn)實選擇?，F(xiàn)代大電網(wǎng)具有拓?fù)鋸?fù)雜的物理結(jié)構(gòu)和形式多變的運行方式，使得電網(wǎng)的監(jiān)護(hù)和協(xié)調(diào)控制難度大大增加，而可再生能源發(fā)電使整個電網(wǎng)的運行增加了新的不確定因素。特別是隨著分布式發(fā)電和儲能設(shè)備的推廣應(yīng)用，使許多傳統(tǒng)意義上的負(fù)荷演變?yōu)樾滦偷摹柏?fù)荷兼電源”，更增加了電網(wǎng)系統(tǒng)監(jiān)護(hù)和協(xié)調(diào)控制的難度。因此在負(fù)荷中心建立微型電網(wǎng)模式的新型終端電網(wǎng)，將當(dāng)?shù)仉娫磁c負(fù)荷結(jié)合起來統(tǒng)一進(jìn)行協(xié)調(diào)控制，就成為分布式發(fā)電并網(wǎng)的一種新思路。微型電網(wǎng)能夠做到獨立組網(wǎng)、自治運行，所有負(fù)荷可以優(yōu)先由當(dāng)?shù)胤植际诫娫捶謸?dān)，這使得微型電網(wǎng)在大電網(wǎng)崩潰或發(fā)生意外災(zāi)害的情況下能夠維持對重要用戶的供電，減輕大面積停電帶來的嚴(yán)重后果。電梯作為中國現(xiàn)代都市生活的重要組成部分，已經(jīng)不再僅僅是人們上下移動的工具，而是從最為基本的便捷性，延伸到環(huán)保、安全、舒適等眾多與社會發(fā)展和市民生活息息相關(guān)的領(lǐng)域。隨著人們對電梯能耗的關(guān)注越來越大，“節(jié)能+再生”已成為電梯行業(yè)發(fā)展潮流。節(jié)能型電梯的能量回饋技術(shù)有著鮮明的技術(shù)特點，探討節(jié)能型電梯與智能電網(wǎng)的銜接有著深遠(yuǎn)的現(xiàn)實意義。

1 智能電網(wǎng)

智能電網(wǎng)并沒有一個確定的概念，美國、歐洲和中國都從不同角度闡述了智能電網(wǎng)的內(nèi)涵，并且隨著研究和實踐的深入對其不斷細(xì)化。天津大學(xué)余貽鑫院士給出如下定義[1]：智能電網(wǎng)是指一個完全自動化的供電網(wǎng)絡(luò)，其中的每一個用戶和節(jié)點都得到實時監(jiān)控，并保證從發(fā)電廠到用戶端電器之間的每一點上的電流和信息的雙向流動。智能電網(wǎng)通過廣泛應(yīng)用的分布式智能和寬帶通信，以及自動控制系統(tǒng)的集成，能保證市場交易的實時進(jìn)行和電網(wǎng)上各成員之間的無縫連接及實時互動。目前，國際上電網(wǎng)的發(fā)展可概括為兩大趨勢：一是統(tǒng)一或聯(lián)合的特高壓電網(wǎng)，中國是統(tǒng)一或聯(lián)合的特高壓電網(wǎng)發(fā)展趨勢的主要代表；另一個是以歐洲為主要代表的分布式發(fā)電與交互式供電的分散智能電網(wǎng)，其電網(wǎng)發(fā)展模式是向交互式供電、分布式發(fā)電的分散智能電網(wǎng)過渡，側(cè)重強(qiáng)調(diào)對環(huán)境的保護(hù)和支持可再生能源發(fā)電的發(fā)展，這是引領(lǐng)國際電網(wǎng)發(fā)展的另一大趨勢。我國的智能電網(wǎng)是以特高壓主干網(wǎng)為基礎(chǔ)的，但也極其重視與分布式電源相關(guān)的關(guān)鍵技術(shù)的研究。分布式電源的種類很多，包括風(fēng)能發(fā)電、太陽能發(fā)電、柴油發(fā)電機(jī)組、燃料電池和儲能裝置（如節(jié)能型電梯、超級電容器和鈉硫蓄電池等）。大量分布式電源并網(wǎng)有可能造成電力系統(tǒng)不穩(wěn)定、不安全和不可控，從而影響電網(wǎng)安全運行，所以分布式發(fā)電面臨著許多質(zhì)疑和技術(shù)障礙。微型電網(wǎng)就是為充分發(fā)揮分布式電源的優(yōu)勢、消除分布式電源對電網(wǎng)的沖擊和負(fù)面影響而提出的一種新的分布式電源組織方式和結(jié)構(gòu)。微型電網(wǎng)通過建立一種全新的理念，來解決分布式電源并網(wǎng)帶來的安全隱患。通過將相鄰的微型電源系統(tǒng)、儲能裝置和負(fù)荷裝置結(jié)合起來進(jìn)行協(xié)調(diào)控制，微型電網(wǎng)對配電網(wǎng)而言表現(xiàn)為性能穩(wěn)定、品質(zhì)良好的單個可控系統(tǒng)，它可與配電網(wǎng)進(jìn)行雙向能量交換，在配電網(wǎng)發(fā)生故障時可單獨運行。

2 節(jié)能型電梯的能量回饋技術(shù)

電梯作為現(xiàn)代都市生活的重要組成部分，已經(jīng)越來越被人們所熟知。特別是近幾年來投入運行的電梯數(shù)量迅猛增加，人們對于電梯能耗的關(guān)注程度也越來越大。截止2008年年底，全國在用電梯達(dá)115萬臺，且保持著每年20%的遞增速度。按照公認(rèn)的統(tǒng)計數(shù)據(jù)，每臺電梯平均日耗電約40kWh，則全國電梯每天耗電約4600萬kWh，能源消耗是非常巨大的。

我國環(huán)境污染和能源危機(jī)所帶來的緊迫感日益增強(qiáng)，節(jié)能環(huán)保行動正在每一個生產(chǎn)和生活領(lǐng)域中積極展開。電梯生產(chǎn)企業(yè)競相推出了符合時代潮流的節(jié)能型電梯。電梯節(jié)能的途徑主要有兩類：一是提高電梯的運行效率，這主要體現(xiàn)在永磁同步無齒輪曳引機(jī)和交流變壓變頻調(diào)速技術(shù)的推廣應(yīng)用。二是將電梯已轉(zhuǎn)換到負(fù)載上的勢能和動能再次反變換成電能回饋電網(wǎng)再生利用，使電梯在單位時間內(nèi)消耗的電網(wǎng)電能下降，從而達(dá)到節(jié)能的目的。運行中的電梯有時處于電動狀態(tài)，有時處于發(fā)電狀態(tài)。電梯處于發(fā)電狀態(tài)有兩種狀況：一是 電梯到達(dá)目標(biāo)層前，由最高速逐步減速直到停止運動的過程中，電梯釋放系統(tǒng)動能的時段。二是電梯是勢能性負(fù)載，電梯負(fù)載由載客轎廂和對重平衡塊組成，對重平衡塊重量等于轎廂自重加轎廂載重量的50%。轎廂與對重平衡塊重量不平衡時，重量重的一側(cè)下行時系統(tǒng)勢能將釋放重新轉(zhuǎn)換為電能。先進(jìn)的能量回饋技術(shù)主要有兩類：一是交-交直接變頻結(jié)構(gòu)的矩陣變頻技術(shù)，二是交-直-交間接變頻結(jié)構(gòu)的PWM可控整流-PWM可控逆變技術(shù)。矩陣變頻是一種基于可控的雙向開關(guān)的電力變換，其名字來源于它的矩陣狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。目前最有實用價值、也是研究得最多的是如圖1所示的單級三相輸入、三相輸出的矩陣變頻。通過對圖1中矩陣變頻的九個雙向開關(guān)進(jìn)行嚴(yán)格的邏輯控制，就可實現(xiàn)頻率與電壓的變換，向負(fù)載提供頻率與電壓可調(diào)的電源。矩陣變頻能直接進(jìn)行頻率變換，沒有中間儲能環(huán)節(jié)，基于矩陣變頻的電梯驅(qū)動系統(tǒng)具有如下優(yōu)點：

1）可四象限運行。矩陣變頻采用了一級能量變換，使用雙向開關(guān)，改變開關(guān)的動作次序就能夠?qū)崿F(xiàn)電梯曳引機(jī)的四象限運行，實現(xiàn)電動與再生狀態(tài)的轉(zhuǎn)換，并且輸出電壓、頻率寬范圍可調(diào)。

2）輸入功率因數(shù)可調(diào)。輸入功率因數(shù)正負(fù)可調(diào)，其值甚至可調(diào)節(jié)至逼近于±1，而且輸入的功率因數(shù)與輸出的功率因數(shù)無關(guān)聯(lián)。

3）結(jié)構(gòu)簡單，利于硬件集成，易于模塊化。矩陣變頻本身無直流母線環(huán)節(jié)以及雙向開關(guān)采用模塊化方式，可以大大簡化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，這樣整個功率電路可制成體積小且能量密度高的交交變壓變頻傳動電源，并且整個系統(tǒng)的預(yù)期壽命不再受電容器壽命的限制。

4）有助于電梯控制柜小型化，減小電梯機(jī)房面積或利于無機(jī)房電梯控制柜在井道中的布置。

雖然矩陣變頻有許多的優(yōu)點，但其換流困難、雙向開關(guān)功率模塊技術(shù)還不是很成熟并且成本高，使得矩陣變頻還沒有在電梯行業(yè)大規(guī)模應(yīng)用。盡管如此，矩陣變頻有著無與倫比的優(yōu)勢，在電梯行業(yè)有著良好的發(fā)展前景，將是電梯行業(yè)變壓變頻技術(shù)發(fā)展的趨勢之一。

交-直-交間接變頻結(jié)構(gòu)的PWM可控整流-PWM可控逆變技術(shù)這幾年在電梯行業(yè)有了迅猛發(fā)展，各大電梯制造企業(yè)順應(yīng)時代潮流紛紛推出了各自的采用該項技術(shù)的能量回饋型電梯。目前成熟應(yīng)用的能量回饋型電梯可分為兩種類型，一是簡易能量回饋型電梯，電梯在電動狀態(tài)時，依然采用不可控整流方式，功率因數(shù)和電流波形不可調(diào)。電梯僅在發(fā)電狀態(tài)時，使用外掛的能量回饋裝置將泵升能量回饋到電網(wǎng)。簡易能量回饋型電梯僅是使用能量回饋裝置替代了能耗電阻，其控制方式?jīng)]有根本變化，因此具有易開發(fā)、成本低等優(yōu)點，在中小型電梯制造企業(yè)中得到了廣泛應(yīng)用。二是完全能量回饋型電梯，電梯無論是在電動狀態(tài)還是在發(fā)電狀態(tài)，整流都處于PWM可控狀態(tài)。通過對電壓和電流的全閉環(huán)控制，保證電源側(cè)電流的波形為完美的正弦波，最大限度地減少了電梯對于電網(wǎng)的諧波污染，使得電梯真正成為名符其實的綠色產(chǎn)品。典型的PWM可控整流－PWM可控逆變結(jié)構(gòu)如圖2所示，整個系統(tǒng)由PWM可控整流和PWM可控逆變兩部分通過直流電容相連接而構(gòu)成。當(dāng)電梯工作在電動狀態(tài)時，PWM整流器起到整流作用，負(fù)責(zé)將電網(wǎng)交流電進(jìn)行整流，得到電容兩端的直流電；當(dāng)電梯工作在發(fā)電狀態(tài)時，PWM整流器起到回饋作用，負(fù)責(zé)將電梯產(chǎn)生的、聚集在直流電容上的泵升能量轉(zhuǎn)化為符合并網(wǎng)條件的交流電，回饋給電網(wǎng)，以保持直流側(cè)電壓的相對恒定，同時使得電網(wǎng)側(cè)電流波形和功率因數(shù)均為可控。完全能量回饋型電梯控制復(fù)雜、成本高，但其有著良好的社會效益，體現(xiàn)了企業(yè)的社會責(zé)任感，因此大型電梯制造企業(yè)的能量回饋型電梯大都采用此方案。經(jīng)過在用電梯的實測比較，能量回饋型電梯可以比不可控整流的非能量回饋型變壓變頻調(diào)速電梯節(jié)能30%以上。由于電梯的能耗與運行工況有著密切的關(guān)系，圖3為電梯在各種工況下的節(jié)能率。

在實際運行的同一規(guī)格電梯（2.5m/s、1350kg，17層站）上，我們測得了如下的節(jié)能效果：傳統(tǒng)的電梯一周耗電826kWh，能量回饋型電梯一周耗電625kWh。除去兩種類型電梯共同有的待機(jī)控制用功耗，實際電梯的節(jié)能約為30%。根據(jù)住宅樓典型應(yīng)用的用電實測,傳統(tǒng)的非能量回饋型變壓變頻調(diào)速電梯每天每臺耗電約 37.7kWh（以兩臺 1.75m/s、1050kg、27層/27站該類型電梯實測為例），而采用能量回饋技術(shù)后，實際平均可節(jié)能30%以上。若全國在用115萬臺電梯全部采用能量回饋技術(shù)，則每年可節(jié)約電能47.5億kWh。由此可見，電梯的節(jié)能意義重大。

3 節(jié)能型電梯與智能電網(wǎng)的銜接

節(jié)能型電梯作為分布式儲能裝置的重要組成之一，具有波動性和間歇性的特點，會對電網(wǎng)的供電品質(zhì)造成一定程度的沖擊。另外大量的節(jié)能型電梯并于配電網(wǎng)上運行，將可能改變傳統(tǒng)配電系統(tǒng)單向潮流的特點，這客觀要求配電系統(tǒng)采用新的技術(shù)方案。最主要的表現(xiàn)之一在于電能計量儀表必須滿足電能雙向潮流的需要。這恰恰是智能電網(wǎng)能解決的問題之一：構(gòu)建具有智能判斷與自適應(yīng)能力的多種能源并網(wǎng)和分布式管理的智能化網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，其可對電網(wǎng)與用戶用電信息進(jìn)行實時監(jiān)控和采集，并采用最經(jīng)濟(jì)安全的輸配電方式將電能輸送給終端用戶，實現(xiàn)對電能的最優(yōu)利用，提高電網(wǎng)運營的安全性和能源利用效率。微型電網(wǎng)是這一問題的具體解決方案之一，圖4所示的是以一座大中型工廠為例的微型電網(wǎng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。

微型電網(wǎng)的核心技術(shù)之一是能量管理系統(tǒng)，它可實現(xiàn)微型電網(wǎng)系統(tǒng)決策分析、能量管理的分散自治控制、電能質(zhì)量控制、與上級配電網(wǎng)的并網(wǎng)及電能交易控制、分布式電源或儲能裝置接入及優(yōu)化運行控制、雙向通信、負(fù)荷調(diào)節(jié)、雙向電量計費、節(jié)能管理等功能，因此可根據(jù)用戶的不同用電需求為其定制具有個性化的節(jié)能、經(jīng)濟(jì)運行的能源管理方式。微型電網(wǎng)通過高級的能量管理系統(tǒng)可把節(jié)能型電梯無縫集成到電網(wǎng)中協(xié)調(diào)運行，這可帶來巨大的經(jīng)濟(jì)效益，也可提高電網(wǎng)系統(tǒng)的可靠性和效率，如無功支持、電能質(zhì)量改善等。

節(jié)能型電梯與微型電網(wǎng)的銜接主要有兩個方面，一是根據(jù)微型電網(wǎng)的要求實時向能量管理系統(tǒng)傳送電梯信息，為能量管理系統(tǒng)的決策提供數(shù)據(jù)支持。這些電梯信息主要包括：電梯當(dāng)前使用功率、功率因數(shù)、電能質(zhì)量（電壓、電流、頻率）；預(yù)測的電梯下一步使用功率、功率因數(shù)、電能質(zhì)量（電壓、電流、頻率）；電梯設(shè)備運行狀況和控制策略；電梯在緊急事件中的角色定位等。二是根據(jù)微型電網(wǎng)的要求接收能量管理系統(tǒng)的電網(wǎng)信息，并根據(jù)電網(wǎng)信息和自身運行狀況作出相應(yīng)調(diào)整。這些調(diào)整主要包括：功率因數(shù)調(diào)整，為電網(wǎng)提供無功支持；電梯延時啟動，避免電網(wǎng)中電機(jī)類設(shè)備同時啟動所造成的電網(wǎng)過負(fù)荷；電梯變速運行（先進(jìn)的電梯已具備可變速能力，如三菱電梯的可變速電梯）和群控策略調(diào)整，兼顧電網(wǎng)負(fù)荷平衡和電梯運行效率；電梯在緊急事件中根據(jù)電網(wǎng)狀態(tài)調(diào)整使用模式等。

4 結(jié)論

由于各個國家國情各不相同，各國對智能電網(wǎng)的認(rèn)識理解和研究重點并不相同，但利用現(xiàn)代的信息技術(shù)、先進(jìn)的電力電子技術(shù)和智能的控制技術(shù)來實現(xiàn)電網(wǎng)的智能化已成為普遍的共識。微型電網(wǎng)為分布式電源的并網(wǎng)提供了新思路，但這是一項長期的系統(tǒng)性工程，需要有相應(yīng)的政策法規(guī)密切配合。節(jié)能型電梯與智能電網(wǎng)的結(jié)合將產(chǎn)生巨大的社會效益，但目前這還依賴于分布式電源并網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)的建立和實施。因此立足于我國電網(wǎng)的自身特點和技術(shù)水平，參考國外研究成果，盡快構(gòu)建智能電網(wǎng)的技術(shù)體系和框架，特別是智能電網(wǎng)用戶端的整體規(guī)劃，是關(guān)系到國家可持續(xù)發(fā)展的戰(zhàn)略問題。

[1]余貽鑫，欒文鵬.智能電網(wǎng)[J].電網(wǎng)與清潔能源，2009，25(1)：7-11.