煤矿架空乘人装置储能系统设计_安晋松.pdf

第42卷第02期2023年02月煤炭技术Coal TechnologyVol.42 No.02Feb.2023doi:10.13301/ki.ct.2023.02.0450引言煤矿架空乘人装置（简称猴车）是煤矿井下进行人员运输的主要设备，它结构简单、输送距离远适合在狭长的巷道中使用，操作方便可以降低使用的繁杂度，结实耐用可以确保运输安全，得到了广泛的应用。在驱动装置和驱动轮的作用下，在安全保护装置的监控下，乘人吊椅通过钢丝绳牵引被输送到目的地，实现安全运输。驱动装置主要包括提供动力的电源、防爆电动机、负责减速和制动的减速机和制动器以及起传递动力作用的联轴器等几部分。架空乘人装置在运行期间，由于乘车人数变化较大，因此，给系统带来很大的节能空间。文献5通过研究分析架空乘人装置上面人员的数量和分布位置来调节运行速度实现节能。但在载运人员下行工作过程中，根据能量守恒原理，承载人员的势能会向动能转换，钢丝绳拖动减速机驱动轮转动，电机工作在发电状态，此时电机产生能量汇聚到变频调速系统，为避免上升电压对变频器的破坏，通常会通过并联电阻以热能的形式耗散掉系统中多余制动能量，造成能源浪费。目前，为实现节能通常采用在直流母线上安装能量回馈电网装置，通过实时监测直流母线状态，将制动能量回馈给电力线路，实现节能。上述方案对保证架空乘人装置稳定运行起到了重要保护作用，但是制动电阻方式存在的主要问题是能源浪费，且造成系统温度上升，不利于安全生产；能量回馈方式克服了前者的缺点，但带来的新问题是回收的能量会对电网造成谐波污染，对于其它用电设备造成干扰，甚至无法正常运行。本文设计了一种基于变频调速的煤矿架空乘人装置储能控制系统，通过对电机变频驱动环节的能量流动关系进行分析，阐明电动机发电工作时变频调速系统中直流母线泵升电压的产生和能量回收方*山西省留学人员择优资助项目（RZ18100351）煤矿架空乘人装置储能系统设计*安晋松1，张红娟2（1.晋能控股山西科学技术研究院（晋城）技术研究院有限责任公司，山西 晋城048004；2.太原理工大学 电气与动力工程学院，太原030024）摘要：煤矿变频调速架空乘人装置在下行运行中会产生大量的制动能量，为减少因采用能耗制动导致的能量浪费，提出了一种基于变频调速的超级电容储能系统设计方案。通过对电机变频驱动环节的能量流动关系进行分析，阐述了储能系统的构成以及工作原理，搭建了储能系统双向直流功率变换电路，结合系统要求和电路结构对元件参数进行了计算，在此基础上设计了储能系统的控制策略，对架空乘人装置制动能量实时回收，实现了节能降耗。关键词：架空乘人装置；超级电容；制动能量；储能系统中图分类号：TD52文献标志码：A文章编号：1008 8725（2023）02 190 04Design of Energy Storage System for Overhead Passenger RidingDevice in Coal MineAN Jinsong1,ZHANG Hongjuan2（1.Jinneng Holding Shanxi Science and Technology Research Institute Co.,Ltd.,Jincheng 048004,China；2.College ofElectrical and Power Engineering,Taiyuan University of Technology,Taiyuan 030024,China）Abstract:The braking energy will be generated in the downlink operation of the variable frequencyspeed regulating overhead passenger device in coal mine.In order to reduce the energy waste causedby energy consumption braking,a design scheme of supercapacitor energy storage system based onvariable frequency speed regulation is proposed.By analyzing the energy flow relationship of the motorvariable frequency drive link,the composition and working principle of the energy storage system areexpounded.The bidirectional DC conversion circuit of the energy storage system is built,and thecomponent parameters are calculated according to the system requirement and circuit structure.On thisbasis,the control strategy of the energy storage system is designed,and the braking energy of the overheadpassenger device is recovered in real time,which realizes energy saving and consumption reduction.Key words:overhead passenger device；supercapacitor；braking energy；energy storage system190第42卷第02期Vol.42 No.02煤矿架空乘人装置储能系统设计安晋松，等案，搭建储能系统双向直流变换电路，结合系统要求和电路结构对元件参数进行计算，设计基于变频调速结构的储能系统控制方案，实现电机制动能量的回收再利用。1储能系统总体结构方案1.1架空乘人装置储能系统架构架空乘人装置变频调速储能系统如图1所示。图1架空乘人装置变频调速储能系统图矿用交流电动机变频调速系统将工频交流电经过整流器后变成直流电，然后再将直流电逆变成电压和频率可调的交流电供给防爆电机。当架空乘人装置下行时，减速机驱动转轮被钢丝绳拖动旋转，此时，防爆电机被减速机带动运行，驱动电机处于发电状态，经变频器将制动产生的能量回馈到直流母线上，储能系统并联接于直流母线环节，通过控制双向直流功率变换电路，将制动能量快速高效地存储到超级电容中，当电机电动运行时，再通过控制双向直流变换器将能量释放出来，实现能量的回收再利用，同时也有效抑制由制动能量引起的母线电压升高。1.2超级电容储能系统功率电路本文所设计储能系统功率电路结构如图2所示，包含双向直流功率变换电路和超级电容模组，通过调制双向直流功率变换电路电力电子开关管通断实现能量流控制。图2储能系统功率电路结构图选择超级电容作为储能元件，是因为它的内阻小，支持大功率充电和放电，同时还具有充放电循环周期长，充电速度快等优势，双向直流功率变换电路采用交错并联式，转换效率高，将二者相结合，当电机再生制动时，控制直流变换电路中开关管Q1和Q3交错导通，能够快速高效的将这部分能量存储到超级电容中去，当电机电动运行，控制开关管Q2和Q4，将超级电容中的能量释放出来，这样既保证了架空乘人装置变频驱动系统的安全稳定运行，又实现了制动能量回收与高效利用。2储能系统主要元件选型2.1滤波电感计算已知在单路直流变换器中，滤波电感Ls=（Udc-Usc）D2fsiL（1）式中Udc变换器高压侧电压；Usc变换器低压侧电压；D变换器占空比；fs变换器开关频率；iL变换器低压侧电感电流纹波。考虑到所采用直流变换器交错并联的拓扑结构，可得到该结构下的滤波电感Ld=Ls（1-2D）/（1-D）0D0.5Ls（2D-1）/D 0.5D1（2）根据电感电流纹波iL10%的要求，由式（1）、式（2）计算并选取双向直流功率变换电路滤波电感L1=L2=5 mH。2.2滤波电容计算双向直流功率变换电路输入输出端都设有滤波电容，其中低压侧滤波电容CLUscD（1-D）16L1fs2Usc（3）式中Usc变换器低压侧电压纹波。高压侧滤波电容CHD2fsUdcIdc（4）式中Udc变换器高压侧电压纹波；Idc高压侧输出电流。设计变换器电压纹波系数应小于5%，对于器件本身和系统运行都存在安全稳定隐患，另外采用电容并联，可以增大支路的最大电流，采用电容串联，可以增大支路的最大电压，考虑到变换器高压侧电压高，因此在高压侧用两个电容串联替代单电容，考虑到超级电容侧电压低，因此在低压侧采用2个电容并联替代单电容。同时，在选取电容时应该比计算值大出一定的量，对于应对在运行过程可能出现的极限情况可以有更好的动态响应效果。计算并选取滤波电容CL1=CL2=5 F，CH1=CH2=100 F。2.3超级电容模组选型超级电容模组的容量选取对于系统稳定运行具有重要作用，一般遵循的原则是：当防爆电机工作在被测电流电压信号控制器DC/DC变换器超级电容Q1直流母线CH1+CH2Q2Q3Q4D1D2D3D4L1L2Udc-UscIscR超级电容CL2CL1C191第42卷第02期煤矿架空乘人装置储能系统设计安晋松，等Vol.42 No.02发电状态，制动能量达到最大的上限值时，超级电容模组能够完全回收电机制动能量。因此，超级电容模组容量与电机制动能量的关系为12Csc（Uscmax-Uscmin）W（5）式中Csc超级电容模组容值；Uscmax超级电容模组电压上限；Uscmin超级电容模组电压下限；W直流母线上最大制动能量。超级电容模组由多个分立的超级电容单体组成，该系统选用型号为HCAPC-2R7 407单体超级电容，其额定电压为2.7 V，容量为400 F。为了满足系统对超级电容模组电压和容量的要求，考虑安全裕量，对多个超级电容单体进行串并联设计。由电路原理，可以得到超级电容模组容值Csc=mnCcell（6）式中Ccell单体超级电容容值；m超级电容单体并联数量；n超级电容单体串联数量。3储能系统控制策略3.1控制程序主流程图根据煤矿架空乘人装置变频调速储能系统的功能设计出系统的控制策略，可以设计出架空乘人装置变频调速储能系统的主程序流程图，如图3所示。图3储能系统控制程序流程图本文所设计煤矿架空乘人装置变频调速储能系统对直流母线电压Udc、超级电容两端电压Usc和电流Isc进行采集。并选取直流母线电压和超级电容电压作为储能系统模式选择的判定依据，控制双向直流功率变换电路按照相应的模式工作。在升压和降压模式的切换过程中，需要选取直流电网最高电压Umax和超级电容最高工作电压Uscmax作为参考电压值。当直流母线电压UdcUmax时，表明直流母线有制动能量，否则，超级电容进入备用状态。当检测到直流母线有制动能量时，对超级电容状态进行判断，当UscUscmax&SOCSOCmax时，充电标志位为0，对超级电容进行充电，并实时更新储能装置转态，否则，充电标志位置1，闭锁降压驱动功能。3.2储能系统充电控制储能系统电压电流双闭环充电控制如图4所示。当架空乘人装置驱动电机制动运行时，产生的制动能量汇聚直流母线上，双向直流变换器进入降压模式。控制器把超级电容电压和超级电容电流作为控制对象，采用PI进行调节，通过电压传感器对超级电容电压进行实时采集，把超级电容参考电压值作为负反馈给定，在PI调节作用下，电压外环输出值作为电流内环超级电容电流参考给定，超级电容电流经电流传感器实时采集后作为负反馈输入，通过PWM发生器，产生控制变换器开关的PWM波，这样可以实现对超级电容器的恒流恒压充电，将制动能量快速存储到超级电容器中。图4电压电流双闭环充电控制图同时，交错并联双向直流功率变换电路每对桥臂的2个开关之间的输出都连着1个电感，在这种电路结构下，通过双电感电流闭环控制，能更好地达到2路电感均流的效果。控制器最终输出2路相位相反、幅值大小均相同的PWM波，这样可以使每对桥臂的2个开关在同一模式下不会同时导通，从而避免了2个开关同时开通造成电路短路的危险。在降压模式下2对桥臂中的上开关导通，给超级电容进行充电，将产生的制动能量存储在超级电容中，也可以使直流母线电压保持稳定，通过调节PWM波的占空比，可以控制超级电容实时回收制动能量。同理，当电机电动运行时，控制双向直流功率变换电路工作在升压模式，将超级电容中的能量释放出，给电机提供能量。4结语UdcUmax?UdcUscmax&SOCSOCmax?Q1+Q3R1PIiSC-ref-R2CR3+-+-+-+-+-Comp1PIUSC-refUSCPIiL2iL1Comp2系统初始化开始检测直流母线电压信号Udc，超级电容电压、电流信号Usc、Isc是否处理得到超级电容荷电状态信号SOC超级电容备用状态更新储能装置状态充电标志位置1充电标志位为0超级电容充电状态结束是否闭锁降压驱动功能22192第42卷第02期Vol.42 No.02煤矿架空乘人装置储能系统设计安晋松，等本文设计了一种基于煤矿架空乘人装置变频调速超级电容储能系统，对架空乘人装置在下行过程中，防爆电机制动产生的制动能量进行回收再利用，有效避免制动电阻发热消耗所潜藏的安全隐患，减少了能量损失。与现有将制动能量逆变回电网的方案相比，不需要向电网注入能量，不会对电网造成谐波污染。论文通过对架空乘人装置变频调速系统电机制动能量的产生转化机理进行研究，设计了基于超级电容的储能系统对电机制动能量进行回收。根据变频驱动系统要求，对储能系统主电路主要元件进行选型计算，设计了储能系统总体方案和控制程序，完成了矿山架空乘人装置变频调速的储能控制，实现了节能。参考文献：1韩靖,周聪聪.节能计时软启停猴车系统的设计J.煤炭技术,2015,34(6):242-244.2赵德超.架空乘人装置安全保护装置研制与应用J.煤矿机电,2021,42(1):70-74.3张铎.架空乘人装置的工作原理及制动性能检测J.采矿技术,2021,21(6):158-160.4马静.架空乘人装置电控系统及其节能运行设计J.煤矿机械,2014,35(2):127-128.5禹燕飞.架空乘人装置节能控制装置的分析J.石化技术,2020,27(7):177，184.6邓金煌.变频器制动单元与制动电阻在架空乘人装置的应用J.采矿技术,2021,21(S1):158-160.7葛笑寒.基于PLC的煤矿猴车控制系统设计J.煤矿机械,2019,40(3):21-23.8刘瑞虎,李忠,孔祥泉.煤矿提升机变频电控系统中制动单元的过电压故障分析及其改进J.工矿自动化,2008(4):113-115.9李洪亮.电动轮矿车电储能功率变换器的研究J.煤炭技术,2017,36(11):226-228.作者简介：安晋松（1972-），山西晋城人，高级工程师，硕士，研究方向：煤矿机电节能控制研究，电子信箱：.责任编辑：李景奇收稿日期：20220330193