長沙理工大學“國家級大學生創(chuàng)新性實驗計劃”項目申請表.doc

長沙理工大學“國家級大學生創(chuàng)新性實驗計劃”項目申請表 填表時間： 2009 年 10月 7日 項目名稱電梯節(jié)能裝置的研制一、申請理由（包括自身具備的知識條件：自己的特長、興趣等） 隨著社會經濟的迅速發(fā)展， 能源問題在當今社會中受到越來越多的關注。變頻調速系統(tǒng)以其優(yōu)良的調速性能而廣泛應用于工業(yè)領域。但是由于受到技術條件的制約，電機制動時產生的能量往往通過制動電阻發(fā)熱消耗掉，造成了電能的極大浪費。能量回饋系統(tǒng)可將再生能量反饋回電網，能大幅降低變頻調速系統(tǒng)的能耗。 本項目涉及電力電子技術中的整流、SPWM逆變技術，以及與能量回饋相關的自動控制、數字信號處理（DSP）等控制技術，可綜合培養(yǎng)學生的理論與實踐能力，為以后的工作和深造打下堅實的基礎。 特長和興趣：丁梓健作為班級委員有著扎實的專業(yè)基礎知識，參加了全國大學電子競賽，具備較強的單片機軟、硬件開發(fā)能力和系統(tǒng)設計能力。對電子制作和程序設計有著濃厚的興趣。張勁帆曾獲校特等獎學金，擅長利用Protel軟件進行電路設計和制作PCB電路板。對優(yōu)化電路設計和電子制作有著濃厚的興趣。周宇帆曾獲校三等獎學金，能很好的應用MATLAB軟件對系統(tǒng)建模和仿真。對自動控制理論和數學建模有著濃厚的興趣。張建軍曾獲校三等獎學金，具備較強的C語言的開發(fā)技能和變流技術應用能力。對程序開發(fā)和電機控制方面有著濃厚的興趣。二、立項背景（研究現狀、趨勢、研究意義等，參考文獻和其他有關背景材料）1研究的意義據中國電梯協會提供的信息顯示，全國在用電梯總保有量已超過90萬臺，成為世界上電梯總保有量最多的國家。而且，隨著我國城市化進程進入快速發(fā)展期，每年都將有超過15萬臺新增電梯（新增電梯數量世界第一）投入使用。電梯作為交通工具，已經成為人們日常生活不可缺少的一部分。 電梯運營離不開電能，一般正常使用的普通電梯，每天用電量大約在30度至150度之間，如果按照一部電梯每天用電80度計算，每年耗電量達29200度。由此可見，電梯能耗已經成為建筑能耗的重要部分。電梯在使用過程中，有電動運行與發(fā)電運行（也叫制動運行）兩種狀態(tài)。其中的發(fā)電運行狀態(tài)會產生一部分能量，我們稱之為再生能源。目前市場上使用的電梯（除進口高速電梯之外，約占總量的2%）將再生能源消耗在制動電阻上，在浪費這些能源的同時，也造成了電梯控制柜的發(fā)熱。如果將這部分再生能源收集起來，每年節(jié)約的電能相當可觀。我們簡單計算一下，一般使用能量回饋裝置來收集電梯再生能源，可以節(jié)省15%45%的耗電量。按照平均20%的數據計算，如果全國的電梯都安裝了能量回饋裝置，每年可以從電梯中回收52.56億度電。這個數字是什么概念呢？我們看一下，據中國水利網數據，國家黃河小浪底水電廠每年發(fā)電量平均為51億度，也就是說，全國的電梯使用能量回饋裝置來收集電梯再生能源，相當于又造了一個小浪底水電廠！使用能量回饋裝置收集電梯再生能源，同時也降低了電梯運行中的發(fā)熱量，將大大降低電梯控制系統(tǒng)的故障率，延長使用壽命。21世紀能源將日益緊張，我國又是能源消耗大國，節(jié)能勢在必行。因此，使用能量回饋裝置收集電梯再生能源是利國利民的一件好事，是造福子孫后代的大事！ 2研究的現狀與趨勢 對于交流變頻調速系統(tǒng)，由于二極管的單向導電性能，電機制動的再生能量無法回饋給電網。為了裝置的安全運行，這部分能量必須通過一定的途徑消耗掉。在中小容量系統(tǒng)中，一般采用能耗制動方式1-5，即通過內置或外加制動電阻的方法將電能消耗在大功率電阻器中，實現電機的四象限運行。該方法雖然簡單，但是有如下缺點：浪費能量，系統(tǒng)效率低；電阻發(fā)熱嚴重，影響系統(tǒng)的其他部分正常工作；簡單的能耗制動不能及時抑制快速制動產生的泵升電壓，限制了性能的提高。 PWM整流器6-8可實現能量可雙向流動，不僅具有AC/DC變流特性(整流)，而且還可實現DC/AC變流 (有源逆變)，因而可將電機制動產生的再生能源回饋到電網。PWM整流器實現了網側電流正弦化且運行于單位功率因數，具有綠色電能變換特性。此外，由于PWM整流器網側呈現出受控電流源特性，因而這一特性使PWM整流器及其控制技術的應用領域得到了發(fā)展和拓寬，如靜止無功補償(SVG)、有源電力濾波(APF)、統(tǒng)一潮流控制(UPFC)，超導儲能(SMES)、高壓直流輸電(HVDC)、電氣傳動(ED)，新型UPS以及太陽能、風能等可再生能源的并網發(fā)電等。但PWM整流器承擔了負載功率的傳遞，因而不適合大功率的應用場合，而且，如果應用到現有的二極管整流的變頻器中，需要對變頻器進行改造，增加了應用的難度和成本。 串級調速可將電動機的轉差功率通過有源逆變回饋給電網，提高了電機的電能使用效率，還可以把定子側的高壓調速問題轉化為轉子側的低壓來解決，用低壓設備來控制高壓電機，避免了直接在定子側采用電力電子變換器進行調速帶來的一系列問題。特別是近年來，PWM串級調速技術的發(fā)展，解決了傳統(tǒng)串級調速方法存在回饋電能功率因數低和電流畸變嚴重的缺點。但應用串級調速技術需要對電動機進行改造，因而不適合解決電梯節(jié)能的問題。 能量回饋裝置通過對變頻器在電機制動時產生的泵升電壓進行控制，利用PWM逆變技術可將再生能源回饋給電網。近年來國外大公司紛紛投入此項研究之中，比如，德國西門子公司已經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，可并聯到變頻器的直流側,將再生能量回饋到電網中。但這些產品普遍存在的問題是這些裝置價格昂貴,再加上一些產品對電網的要求很高，不適合我國的國情。 綜上所述，PWM整流器在未來的中小容量變頻器應用中有著廣闊的前景，而能量回饋裝置在變頻器的改造和低壓大容量變頻器的再生能源的利用方面，有著明顯的優(yōu)勢。3參考文獻1 張承慧, 李珂, 杜春水, 等. 基于幅相控制的變頻器能量回饋控制系統(tǒng) J . 電工技術學報, 2005, 20 (2) : 41 - 45.2 刁利軍,劉志剛,郝榮泰,等.能量回饋式PWM整流器并網的工程設計方法J.電工技術學報,2005,20(11):75-79.3 趙葵銀,王輝,吳峻; 基于DSP的三相PWM整流器電壓空間矢量控制的研究 J;電力系統(tǒng)通信; 2004年06期4 張崇巍,張興.PWM整流器及其控制M.北京:機械工業(yè)出版社,2003.5 孫宜峰.級聯型多電平逆變器的均衡控制策略DJ.南京航空航天大學,碩士學位論文，2005.6 Malinowski M, Kazmierkowski M P, TrzynadlowskiA. Direct Power Control with Virtual Flux Estimationfor Three-phase PWM Rectifiers. IEEE International Symposium on Industrial Electronics, 2000:442-44777 Malinowsk M, Kazmierkowski M P. Direct Power Control of Three-phase PWM Rectifier Using Spaceector Modulation-simulation Study. Proceedings ofthe 2002 IEEE International Symposium on Industrial Electronics, 2002,4:1114-11188 Lee Woo-Cheol, Hyun Dong-Seok, Lee Taeck-Kie. A Novel Control Method for Three-phase PWM Rectifi-ers Using a Single Current Sensor. IEEE Transactions on Power Electronics, 2000:861-8709 江友華.高壓大功率異步電動機驅動風機_泵類負載調速技術的研究, 博士學位論文，2006.10 王春杰.大功率異步機轉子變頻調速系統(tǒng)及其控制策略的研究.天津大學博士論文.天津大學,2005.11 吳國祥; 江友華; 轉子變頻調速系統(tǒng)的性能分析和研究. 電氣傳動,2007,37(10):10-13.4已有的實驗條件本項目的研究工作依托長沙理工大學電氣與信息工程學院，學院的電力系統(tǒng)及其自動化學科為湖南省重點學科，其電力系統(tǒng)工程中心擁有良好的研究和實驗條件，包括分布式發(fā)電實驗系統(tǒng)，電力系統(tǒng)動模實驗室，配電網綜合自動化系統(tǒng)，以及實驗室場地、儀器儀表、計算機、Internet網絡、元器件以及專業(yè)繪圖、分析與仿真軟件等；同時，項目組還擁有前期研究工作中的自制設備，如模擬諧波源、諧波監(jiān)控分析系統(tǒng)等，這些條件為本項目的順利開展和實施提供了有力的物質保障。尚需補充和完善的條件是本項目研究過程中少量有針對性的特殊研究條件以及元器件的備件。5導師的簡歷2001年和2005年分別獲中南大學控制理論與控制工程專業(yè)碩士和博士學位，2005年到長沙理工大學任教，2006年進入湖南大學控制科學和工程博士后流動站， 2009年3月答辯出站，期間于2007年3月至2008年3月到香港理工大學做訪問學者，2008年晉升副教授。主要研究方向為柔性交流輸電系統(tǒng)理論與技術、逆變型并網發(fā)電技術和現代電力電子技術。近年來，主持省自然科學基金一項，參與多項國家及省部級科研項目，獲省部級一等獎一項、三等獎一項，發(fā)表中英文學術論文20余篇，其中SCI、EI檢索10余篇。三、項目方案1研究內容 能量回饋裝置的核心技術是PWM逆變技術。當電機電動運行時，逆變器的開關器件全被封鎖,處于關斷狀態(tài);當電動機處于再生發(fā)電狀態(tài)時，能量由電機側回饋直流側，導致直流母線電壓升高。當直流母線電壓超過電網線電壓峰值時，整流橋由于承受反壓而關斷；當直流母線電壓繼續(xù)升高并超過啟動逆變器工作電壓時，逆變器開始工作，將能量從直流側回饋電網。當直流母線電壓下降到關閉逆變器工作電壓時，關閉逆變器。一個完善的能量回饋控制系統(tǒng)應滿足相位、電壓、電流等三方面的控制條件，這要求回饋過程必須與電網相位保持同步關系；只有直流母線電壓超過一定值時才啟動有源逆變裝置；系統(tǒng)應該能夠控制回饋電流的大小，從而可以控制電機的制動轉矩，實現精確制動。 系統(tǒng)的整體框圖如圖1所示。圖1 系統(tǒng)的整體結構圖1） 主電路設計主電路直接承擔了電能轉換和傳送的任務，本項目擬采用全控型逆變電路的拓撲結構，其電路圖如圖2所示。研究電機再生發(fā)電的工作原理和泵升電壓產生的原因，為主電路電力電子器件和電力濾波電容的參數計算提供理論依據。圖2 主電路結構圖2）控制電路設計 控制電路實現對泵升電壓檢查并產生PWM控制脈沖的功能，其結構圖如圖3所示。控制電路的研究主要包括同步電路、檢測電路和PWM調制電路。（1） 同步電路同步是實現高品質電能回饋的關鍵 。所謂同步，是使回饋的三相電流與電網電壓同頻同相，實現單位功率因數為1的能量回饋。同步電路設計的好壞直接關系到回饋無功電流以及諧波含量的高低。（2） 檢測電路檢測電路實現對變頻器直流電壓和PWM逆變器電流的檢測，保證回饋裝置可靠動作，并為電流閉環(huán)控制提供反饋信號。（3） PWM調制電路 PWM調制電路利用期望信號與三角波進行調制，產生一系列的等幅不等寬的脈沖，從而控制電力電子開關器件的導通和關斷進行控制,使輸出端得到一系列幅值相等而寬度不相等的脈沖,用這些脈沖來代替正弦波或其他所需要的波形。圖3 控制電路結構圖2