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 类型 （kWh） 空载上行 0.0109 空载下行 0.0911 5人下行 0.0572 5人上行 0.0146 14人下行 0.0319 14人上行 0.0584 21人下行 0.0101 21人上行 0.1027 24小时正常运行 41.57 日节电率 — 回馈电量 （kWh） 0.0242 0.0014 0.0027 0.0052 0.0052 0.0029 0.0311 0.0014 8.66 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 电压总谐波畸变kV 率 % 0.38 5.0 6 4.0 10 35 3.0 66 110 2.0 标准电压 基准短路容量 kV MVA 2 0.38 10 78 6 100 43 各次谐波含有率% 奇次 偶次 4.0 2.0 3.2 2.4 1.6 1.6 1.2 0.8 表3 注入公共连接点的谐波电流允许值
3 62 34 谐波次数及谐波电流允许值 A 4 5 6 7 8 9 39 62 26 44 19 21 21 34 14 24 11 11 10 16 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