长沙理工大学“国家级大学生创新性实验计划”项目申请表
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电梯在使用过程中，有电动运行与发电运行（也叫制动运行）两种状态。其 中的发电运行状态会产生一部分能量，我们称之为再生能源。目前市场上使用的 电梯（除进口高速电梯之外，约占总量的 2%）将再生能源消耗在制动电阻上， 在浪费这些能源的同时，也造成了电梯控制柜的发热。如果将这部分再生能源收 集起来，每年节约的电能相当可观。
我们简单计算一下，一般使用能量回馈装置来收集电梯再生能源，可以节省 15%～45%的耗电量。按照平均 20%的数据计算，如果全国的电梯都安装了能量回 馈装置，每年可以从电梯中回收 52.56 亿度电。这个数字是什么概念呢？我们看 一下，据中国水利网数据，国家黄河小浪底水电厂每年发电量平均为 51 亿度， 也就是说，全国的电梯使用能量回馈装置来收集电梯再生能源，相当于又造了一 个小浪底水电厂！
综上所述，PWM 整流器在未来的中小容量变频器应用中有着广阔的前景，而 能量回馈装置在变频器的改造和低压大容量变频器的再生能源的利用方面，有着 明显的优势。 3．参考文献 [1]张承慧, 李珂, 杜春水, 等. 基于幅相控制的变频器能量回馈控制系统
[ J ]. 电工技术学报, 2005, 20 (2) : 41 - 45. [2]刁利军,刘志刚,郝荣泰,等.能量回馈式 PWM 整流器并网的工程设计方法[J].
动作，并为电流闭环控制提供反馈信号。
（3） PWM 调制电路
PWM 调制电路利用期望信号与三角波进行调制，产生一系列的等幅不等宽的
脉冲，从而控制电力电子开 关 器 件 的 导 通 和 关 断 进 行 控 制 , 使 输 出 端 得 到 一 系
列幅值相等而宽度不相等的脉冲,用这些脉冲来代替正弦波或其他所需要
[9]江友华.高压大功率异步电动机驱动风机_泵类负载调速技术的研究, 博士学 位论文，2006.
[10] 王春杰.大功率异步机转子变频调速系统及其控制策略的研究.天津大学 博士论文.天津大学,2005.
[11] 吴 国 祥 ; 江 友 华 ; 转 子 变 频 调 速 系 统 的 性 能 分 析 和 研 究.,2007,37(10):10-13.
使用能量回馈装置收集电梯再生能源，同时也降低了电梯运行中的发热量， 将大大降低电梯控制系统的故障率，延长使用寿命。
21 世纪能源将日益紧张，我国又是能源消耗大国，节能势在必行。因此， 使用能量回馈装置收集电梯再生能源是利国利民的一件好事，是造福子孙后代的 大事！ 2．研究的现状与趋势
对于交流变频调速系统，由于二极管的单向导电性能，电机制动的再生能量 无法回馈给电网。为了装置的安全运行，这部分能量必须通过一定的途径消耗掉。 在中小容量系统中，一般采用能耗制动方式[1-5]，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，实现电机的四象限运行。该方法虽然简单， 但是有如下缺点：浪费能量，系统效率低；电阻发热严重，影响系统的其他部分 正常工作；简单的能耗制动不能及时抑制快速制动产生的泵升电压，限制了性能 的提高。
能量回馈装置通过对变频器在电机制动时产生的泵升电压进行控制，利用 PWM 逆变技术可将再生能源回馈给电网。近年来国外大公司纷纷投入此项研究之 中，比如，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。但这些产品普遍存 在的问题是这些装置价格昂贵,再加上一些产品对电网的要求很高，不适合我国 的国情。
[8]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, 2000:861-870
时，逆变器开始工作，将能量从直流侧回馈电网。当直流母线电压下降到关闭逆
变器工作电压时，关闭逆变器。一个完善的能量回馈控制系统应满足相位、电压、
电流等三方面的控制条件，这要求回馈过程必须与电网相位保持同步关系；只有
直流母线电压超过一定值时才启动有源逆变装置；系统应该能够控制回馈电流的
大小，从而可以控制电机的制动转矩，实现精确制动。 系统的整体框图如图 1
串级调速可将电动机的转差功率通过有源逆变回馈给电网，提高了电机的电 能使用效率，还可以把定子侧的高压调速问题转化为转子侧的低压来解决，用低 压设备来控制高压电机，避免了直接在定子侧采用电力电子变换器进行调速带来 的一系列问题。特别是近年来，PWM 串级调速技术的发展，解决了传统串级调速 方法存在回馈电能功率因数低和电流畸变严重的缺点。但应用串级调速技术需要 对电动机进行改造，因而不适合解决电梯节能的问题。
所示。
图 1 系统的整体结构图
1）主电路设计
主电路直接承担了电能转换和传送的任务，本项目拟采用全控型逆变电路的
拓扑结构，其电路图如图 2 所示。研究电机再生发电的工作原理和泵升电压产生
的原因，为主电路电力电子器件和电力滤波电容的参数计算提供理论依据。 图 2 主电路结构图
2）控制电路设计
控制电路实现对泵升电压检查并产生 PWM 控制脉冲的功能，其结构图如图 3
4．已有的实验条件 本项目的研究工作依托长沙理工大学电气与信息工程学院，学院的电力系统
及其自动化学科为湖南省重点学科，其电力系统工程中心拥有良好的研究和实验 条件，包括分布式发电实验系统，电力系统动模实验室，配电网综合自动化系统， 以及实验室场地、仪器仪表、计算机、Internet 网络、元器件以及专业绘图、 分析与仿真软件等；同时，项目组还拥有前期研究工作中的自制设备，如模拟谐 波源、谐波监控分析系统等，这些条件为本项目的顺利开展和实施提供了有力的 物质保障。尚需补充和完善的条件是本项目研究过程中少量有针对性的特殊研究 条件以及元器件的备件。 5．导师的简历
二、立项背景（研究现状、趋势、研究意义等，参考文献和其他有关背景材料） 1．研究的意义
据中国电梯协会提供的信息显示，全国在用电梯总保有量已超过 90 万台， 成为世界上电梯总保有量最多的国家。而且，随着我国城市化进程进入快速发展 期，每年都将有超过 15 万台新增电梯（新增电梯数量世界第一）投入使用。电 梯作为交通工具，已经成为人们日常生活不可缺少的一部分。 ?? 电梯运营离不开电能，一般正常使用的普通电梯，每天用电量大约在 30 度至 150 度之间，如果按照一部电梯每天用电 80 度计算，每年耗电量达 29200 度。 由此可见，电梯能耗已经成为建筑能耗的重要部分。
电工技术学报,2005,20(11):75-79. [3]赵葵银,王辉,吴峻; 基于 DSP 的三相 PWM 整流器电压空间矢量控制的研究
[J];电力系统通信; 2004 年 06 期 [4]张崇巍,张 兴.PWM 整流器及其控制[M].北京:机械工业出版社,2003. [5]孙宜峰.级联型多电平逆变器的均衡控制策略「DJ.南京航空航天大学,硕士学
本项目涉及电力电子技术中的整流、SPWM 逆变技术，以及与能量回馈相关的自动控 制、数字信号处理（DSP）等控制技术，可综合培养学生的理论与实践能力，为以后的工 作和深造打下坚实的基础。
特长和兴趣： 丁梓健作为班级委员有着扎实的专业基础知识，参加了全国大学电子竞赛，具备较 强的单片机软、硬件开发能力和系统设计能力。对电子制作和程序设计有着浓厚的兴趣。 张劲帆曾获校特等奖学金，擅长利用 Protel 软件进行电路设计和制作 PCB 电路板。 对优化电路设计和电子制作有着浓厚的兴趣。 周宇帆曾获校三等奖学金，能很好的应用 MATLAB 软件对系统建模和仿真。对自动控 制理论和数学建模有着浓厚的兴趣。 张建军曾获校三等奖学金，具备较强的 C 语言的开发技能和变流技术应用能力。对 程序开发和电机控制方面有着浓厚的兴趣。
位论文，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, 2000:442-4477
三、项目方案
1．研究内容
能量回馈装置的核心技术是 PWM 逆变技术。当电机电动运行时，逆变器的开
关器件全被封锁,处于关断状态;当电动机处于再生发电状态时，能量由电机侧回
馈直流侧，导致直流母线电压升高。当直流母线电压超过电网线电压峰值时，整
流桥由于承受反压而关断；当直流母线电压继续升高并超过启动逆变器工作电压
[7] 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, 2002,4:1114-1118
PWM 整流器[6-8]可实现能量可双向流动，不仅具有 AC/DC 变流特性(整流)，而 且还可实现 DC/AC 变流 (有源逆变)，因而可将电机制动产生的再生能源回馈到
电网。PWM 整流器实现了网侧电流正弦化且运行于单位功率因数，具有绿色电能 变换特性。此外，由于 PWM 整流器网侧呈现出受控电流源特性，因而这一特性使 PWM 整流器及其控制技术的应用领域得到了发展和拓宽，如静止无功补偿(SVG)、 有源电力滤波(APF)、统一潮流控制(UPFC)，超导储能(SMES)、高压直流输电 (HVDC)、电气传动(ED)，新型 UPS 以及太阳能、风能等可再生能源的并网发电等。 但 PWM 整流器承担了负载功率的传递，因而不适合大功率的应用场合，而且，如 果应用到现有的二极管整流的变频器中，需要对变频器进行改造，增加了应用的 难度和成本。
2001 年和 2005 年分别获中南大学控制理论与控制工程专业硕士和博士学 位，2005 年到长沙理工大学任教，2006 年进入湖南大学控制科学和工程博士后 流动站， 2009 年 3 月答辩出站，期间于 2007 年 3 月至 2008 年 3 月到香港理工 大学做访问学者，2008 年晋升副教授。主要研究方向为柔性交流输电系统理论 与技术、逆变型并网发电技术和现代电力电子技术。近年来，主持省自然科学基 金一项，参与多项国家及省部级科研项目，获省部级一等奖一项、三等奖一项， 发表中英文学术论文 20 余篇，其中 SCI、EI 检索 10 余篇。
所示。控制电路的研究主要包括同步电路、检测电路和 PWM 调制电路。
（1） 同步电路
同步是实现高品质电能回馈的关键 。所谓同步，是使回馈的三相电流与电
网电压同频同相，实现单位功率因数为1的能量回馈。同步电路设计的好坏直接
关系到回馈无功电流以及谐波含量的高低。
（2） 检测电路
检测电路实现对变频器直流电压和PWM逆变器电流的检测，保证回馈装置可靠
长沙理工大学“国家级大学生创新性实验计划”项目申请表
填表时间： 2009 年 由（包括自身具备的知识条件：自己的特长、兴趣等） 随着社会经济的迅速发展， 能源问题在当今社会中受到越来越多的关注。变频调
速系统以其优良的调速性能而广泛应用于工业领域。但是由于受到技术条件的制约，电 机制动时产生的能量往往通过制动电阻发热消耗掉，造成了电能的极大浪费。能量回馈 系统可将再生能量反馈回电网，能大幅降低变频调速系统的能耗。
我们简单计算一下，一般使用能量回馈装置来收集电梯再生能源，可以节省 15%～45%的耗电量。按照平均 20%的数据计算，如果全国的电梯都安装了能量回 馈装置，每年可以从电梯中回收 52.56 亿度电。这个数字是什么概念呢？我们看 一下，据中国水利网数据，国家黄河小浪底水电厂每年发电量平均为 51 亿度， 也就是说，全国的电梯使用能量回馈装置来收集电梯再生能源，相当于又造了一 个小浪底水电厂！
综上所述，PWM 整流器在未来的中小容量变频器应用中有着广阔的前景，而 能量回馈装置在变频器的改造和低压大容量变频器的再生能源的利用方面，有着 明显的优势。 3．参考文献 [1]张承慧, 李珂, 杜春水, 等. 基于幅相控制的变频器能量回馈控制系统
[ J ]. 电工技术学报, 2005, 20 (2) : 41 - 45. [2]刁利军,刘志刚,郝荣泰,等.能量回馈式 PWM 整流器并网的工程设计方法[J].
动作，并为电流闭环控制提供反馈信号。
（3） PWM 调制电路
PWM 调制电路利用期望信号与三角波进行调制，产生一系列的等幅不等宽的
脉冲，从而控制电力电子开 关 器 件 的 导 通 和 关 断 进 行 控 制 , 使 输 出 端 得 到 一 系
列幅值相等而宽度不相等的脉冲,用这些脉冲来代替正弦波或其他所需要
[9]江友华.高压大功率异步电动机驱动风机_泵类负载调速技术的研究, 博士学 位论文，2006.
[10] 王春杰.大功率异步机转子变频调速系统及其控制策略的研究.天津大学 博士论文.天津大学,2005.
[11] 吴 国 祥 ; 江 友 华 ; 转 子 变 频 调 速 系 统 的 性 能 分 析 和 研 究.,2007,37(10):10-13.
使用能量回馈装置收集电梯再生能源，同时也降低了电梯运行中的发热量， 将大大降低电梯控制系统的故障率，延长使用寿命。
21 世纪能源将日益紧张，我国又是能源消耗大国，节能势在必行。因此， 使用能量回馈装置收集电梯再生能源是利国利民的一件好事，是造福子孙后代的 大事！ 2．研究的现状与趋势
对于交流变频调速系统，由于二极管的单向导电性能，电机制动的再生能量 无法回馈给电网。为了装置的安全运行，这部分能量必须通过一定的途径消耗掉。 在中小容量系统中，一般采用能耗制动方式[1-5]，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，实现电机的四象限运行。该方法虽然简单， 但是有如下缺点：浪费能量，系统效率低；电阻发热严重，影响系统的其他部分 正常工作；简单的能耗制动不能及时抑制快速制动产生的泵升电压，限制了性能 的提高。
能量回馈装置通过对变频器在电机制动时产生的泵升电压进行控制，利用 PWM 逆变技术可将再生能源回馈给电网。近年来国外大公司纷纷投入此项研究之 中，比如，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。但这些产品普遍存 在的问题是这些装置价格昂贵,再加上一些产品对电网的要求很高，不适合我国 的国情。
[8]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, 2000:861-870
时，逆变器开始工作，将能量从直流侧回馈电网。当直流母线电压下降到关闭逆
变器工作电压时，关闭逆变器。一个完善的能量回馈控制系统应满足相位、电压、
电流等三方面的控制条件，这要求回馈过程必须与电网相位保持同步关系；只有
直流母线电压超过一定值时才启动有源逆变装置；系统应该能够控制回馈电流的
大小，从而可以控制电机的制动转矩，实现精确制动。 系统的整体框图如图 1
串级调速可将电动机的转差功率通过有源逆变回馈给电网，提高了电机的电 能使用效率，还可以把定子侧的高压调速问题转化为转子侧的低压来解决，用低 压设备来控制高压电机，避免了直接在定子侧采用电力电子变换器进行调速带来 的一系列问题。特别是近年来，PWM 串级调速技术的发展，解决了传统串级调速 方法存在回馈电能功率因数低和电流畸变严重的缺点。但应用串级调速技术需要 对电动机进行改造，因而不适合解决电梯节能的问题。
所示。
图 1 系统的整体结构图
1）主电路设计
主电路直接承担了电能转换和传送的任务，本项目拟采用全控型逆变电路的
拓扑结构，其电路图如图 2 所示。研究电机再生发电的工作原理和泵升电压产生
的原因，为主电路电力电子器件和电力滤波电容的参数计算提供理论依据。 图 2 主电路结构图
2）控制电路设计
控制电路实现对泵升电压检查并产生 PWM 控制脉冲的功能，其结构图如图 3
4．已有的实验条件 本项目的研究工作依托长沙理工大学电气与信息工程学院，学院的电力系统
及其自动化学科为湖南省重点学科，其电力系统工程中心拥有良好的研究和实验 条件，包括分布式发电实验系统，电力系统动模实验室，配电网综合自动化系统， 以及实验室场地、仪器仪表、计算机、Internet 网络、元器件以及专业绘图、 分析与仿真软件等；同时，项目组还拥有前期研究工作中的自制设备，如模拟谐 波源、谐波监控分析系统等，这些条件为本项目的顺利开展和实施提供了有力的 物质保障。尚需补充和完善的条件是本项目研究过程中少量有针对性的特殊研究 条件以及元器件的备件。 5．导师的简历
二、立项背景（研究现状、趋势、研究意义等，参考文献和其他有关背景材料） 1．研究的意义
据中国电梯协会提供的信息显示，全国在用电梯总保有量已超过 90 万台， 成为世界上电梯总保有量最多的国家。而且，随着我国城市化进程进入快速发展 期，每年都将有超过 15 万台新增电梯（新增电梯数量世界第一）投入使用。电 梯作为交通工具，已经成为人们日常生活不可缺少的一部分。 ?? 电梯运营离不开电能，一般正常使用的普通电梯，每天用电量大约在 30 度至 150 度之间，如果按照一部电梯每天用电 80 度计算，每年耗电量达 29200 度。 由此可见，电梯能耗已经成为建筑能耗的重要部分。
电工技术学报,2005,20(11):75-79. [3]赵葵银,王辉,吴峻; 基于 DSP 的三相 PWM 整流器电压空间矢量控制的研究
[J];电力系统通信; 2004 年 06 期 [4]张崇巍,张 兴.PWM 整流器及其控制[M].北京:机械工业出版社,2003. [5]孙宜峰.级联型多电平逆变器的均衡控制策略「DJ.南京航空航天大学,硕士学
本项目涉及电力电子技术中的整流、SPWM 逆变技术，以及与能量回馈相关的自动控 制、数字信号处理（DSP）等控制技术，可综合培养学生的理论与实践能力，为以后的工 作和深造打下坚实的基础。
特长和兴趣： 丁梓健作为班级委员有着扎实的专业基础知识，参加了全国大学电子竞赛，具备较 强的单片机软、硬件开发能力和系统设计能力。对电子制作和程序设计有着浓厚的兴趣。 张劲帆曾获校特等奖学金，擅长利用 Protel 软件进行电路设计和制作 PCB 电路板。 对优化电路设计和电子制作有着浓厚的兴趣。 周宇帆曾获校三等奖学金，能很好的应用 MATLAB 软件对系统建模和仿真。对自动控 制理论和数学建模有着浓厚的兴趣。 张建军曾获校三等奖学金，具备较强的 C 语言的开发技能和变流技术应用能力。对 程序开发和电机控制方面有着浓厚的兴趣。
位论文，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, 2000:442-4477
三、项目方案
1．研究内容
能量回馈装置的核心技术是 PWM 逆变技术。当电机电动运行时，逆变器的开
关器件全被封锁,处于关断状态;当电动机处于再生发电状态时，能量由电机侧回
馈直流侧，导致直流母线电压升高。当直流母线电压超过电网线电压峰值时，整
流桥由于承受反压而关断；当直流母线电压继续升高并超过启动逆变器工作电压
[7] 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, 2002,4:1114-1118
PWM 整流器[6-8]可实现能量可双向流动，不仅具有 AC/DC 变流特性(整流)，而 且还可实现 DC/AC 变流 (有源逆变)，因而可将电机制动产生的再生能源回馈到
电网。PWM 整流器实现了网侧电流正弦化且运行于单位功率因数，具有绿色电能 变换特性。此外，由于 PWM 整流器网侧呈现出受控电流源特性，因而这一特性使 PWM 整流器及其控制技术的应用领域得到了发展和拓宽，如静止无功补偿(SVG)、 有源电力滤波(APF)、统一潮流控制(UPFC)，超导储能(SMES)、高压直流输电 (HVDC)、电气传动(ED)，新型 UPS 以及太阳能、风能等可再生能源的并网发电等。 但 PWM 整流器承担了负载功率的传递，因而不适合大功率的应用场合，而且，如 果应用到现有的二极管整流的变频器中，需要对变频器进行改造，增加了应用的 难度和成本。
2001 年和 2005 年分别获中南大学控制理论与控制工程专业硕士和博士学 位，2005 年到长沙理工大学任教，2006 年进入湖南大学控制科学和工程博士后 流动站， 2009 年 3 月答辩出站，期间于 2007 年 3 月至 2008 年 3 月到香港理工 大学做访问学者，2008 年晋升副教授。主要研究方向为柔性交流输电系统理论 与技术、逆变型并网发电技术和现代电力电子技术。近年来，主持省自然科学基 金一项，参与多项国家及省部级科研项目，获省部级一等奖一项、三等奖一项， 发表中英文学术论文 20 余篇，其中 SCI、EI 检索 10 余篇。
所示。控制电路的研究主要包括同步电路、检测电路和 PWM 调制电路。
（1） 同步电路
同步是实现高品质电能回馈的关键 。所谓同步，是使回馈的三相电流与电
网电压同频同相，实现单位功率因数为1的能量回馈。同步电路设计的好坏直接
关系到回馈无功电流以及谐波含量的高低。
（2） 检测电路
检测电路实现对变频器直流电压和PWM逆变器电流的检测，保证回馈装置可靠
长沙理工大学“国家级大学生创新性实验计划”项目申请表
填表时间： 2009 年 由（包括自身具备的知识条件：自己的特长、兴趣等） 随着社会经济的迅速发展， 能源问题在当今社会中受到越来越多的关注。变频调
速系统以其优良的调速性能而广泛应用于工业领域。但是由于受到技术条件的制约，电 机制动时产生的能量往往通过制动电阻发热消耗掉，造成了电能的极大浪费。能量回馈 系统可将再生能量反馈回电网，能大幅降低变频调速系统的能耗。