引言传统矿井提升机具有能量消耗大、工作效率偏低[1]等问题，需要对其进行节能技术研究。提升机在轿厢负载上升时，消耗电能，势能增加；轿厢下降时，重物的重力势能减少。传统矿井提升机采用驱动电机制动工作，通过专门的控制装置使下降机构带动电机发电，能耗电阻消耗这部分能量，确保提升机安全运转。为矿井提升机配置匹配的储能系统，在轿厢下降过程中回收原本能耗电阻消耗的势能，提升过程中供给驱动装置，达到节能的目的[2]。飞轮储能系统是一种电能与飞轮高速旋转动能之间能量转换的储能装置，包括飞轮本体、轴承、电动发电双向机、功率变换器和真空室等部分，具有动态响应快、长寿命、无污染、高储能密度等优点，在航空航天、UPS电源以及交通运输等领域广泛应用。再生制动能量回收技术是飞轮储能的主要应用领域之一[3-6]，高速飞轮储能系统用于城市轨道交通列车，实现制动能量回收利用[7]。在地铁列车制动过程中，利用飞轮储能装置储存该过程产生的大量再生制动能量且转换为飞轮的动能，飞轮转速升高；在地铁列车启动时，通过控制系统，控制飞轮储能装置向外释放能量，飞轮转速降低。文中提出一种飞轮储能辅助矿井提升机实现能量回收再利用技术方案，利用Matlab/Simulink搭建了基于高速飞轮储能装置的矿井提升机模型，采用容量、充放电时间匹配的飞轮储能装置回收重物下降产生的势能且加以利用，同时对直流电压波动起到限制的作用。1矿井提升机结构及运行特点提升机是地下矿井的主要运输设备，在生产中起到重要作用，摩擦轮式矿井提升机的结构如图1所示。由图1可知，钢丝绳搭放在摩擦轮上，两端分别悬挂提升罐笼和平衡重，通过大功率电机直接驱动摩擦轮旋转，借助摩擦轮上的衬垫和钢丝绳之间的摩擦力传递动力，带动罐笼以一定的速度在矿井的罐道内上升或下降。提升机提升载荷越大，升降速度越高，因此常配备大功率的驱动电机。10.3969/j.issn.1004-7948.2022.06.014.F001图1摩擦式矿井提升机的结构以某大型煤矿提升机为例，该煤矿矿井深度约400 m，驱动电机采用交流变频调速电动机，额定功率为2 800 kW，额定电压为1 000 V，额定电流为3 170 A，额定转速为54.60 r/min，摩擦轮直径5 000 mm，钢丝绳最大静张力1 660 kN，摩擦系数≥0.25，罐笼最大提升速度9.95 m/s，每提升一次平均耗电20~30 kWh。提升机运行过程（下降或提升）中先加速、后匀速、最终制动减速，作用在摩擦轮上的负载转矩由罐笼载荷重力与平衡重力之差产生。在提升过程中，罐笼的负载转矩作用在摩擦轮上，驱动电机工作在电动机状态提供相反方向的驱动转矩，克服负载转矩做功；下降过程中，驱动电机起到发电机作用，提供制动转矩，抵消负载转矩，控制罐笼下降速度，将罐笼势能转换成电能。常规矿井提升机设计中，下降过程产生的电能采用能耗电阻消耗掉，不能够实现回收利用。如果将这部分能量回收再利用，可起到可观的节能效果；如果为提升机配置1个具有快充快放能力的、充放电时间与提升机升降时间匹配的储能系统，在提升机下降过程吸收能量，在提升过程中释放电能，辅助驱动电机作用，则可回收提升机的势能，实现节能。2提升机配置飞轮储能技术方案摩擦轮式矿井提升机的电气驱动系统配置匹配的飞轮储能系统。矿井提升机电气驱动系统的结构如图2所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2022.06.014.F002图2矿井提升机电气驱动系统的结构由图2可知，矿井提升机驱动电机通过“交-直-交”电力电子变流装置与交流电源连接，网侧变流器将电源端50 Hz的交流电转换成直流电。所配置的飞轮储能单元采用交流永磁同步电机，通过机侧变流器连接到提升机电气驱动系统的直流母线上，控制飞轮储能系统，实现电能的充电与放电。整个系统在以下3种状态工作：（1）重物下降过程，驱动电机在发电机状态工作，所产生的交流电经机侧变流器整流后转换成直流电；飞轮储能单元进行充电，从直流网吸收直流电经机侧变流器转换成一定频率的交流电，供给飞轮电动机，驱动飞轮转子加速运行，将电能转换成转子动能，储存在飞轮转子中。（2）重物提升过程，提升机的驱动电机在电动机状态工作，从网侧吸收交流电，经网侧变流器转换成直流电；飞轮储能单元向网侧放电，飞轮电机作为发电机运行，将飞轮转子动能转换成交流电，经机侧变流器整流后转换成直流电，与直流电网上的直流电汇合，供给提升机驱动电机。（3）提升机待机过程，提升机的驱动电机不工作，飞轮储能单元处于待机备热状态，飞轮转子等速运行。如果轿厢处于矿井底部，则飞轮转子处于高速运行状态，等待下一个放电状态；如果轿厢处于矿井顶部，则飞轮转子处于低速运行状态，等待下一个充电状态。3充放电控制方法飞轮储能装置的控制系统如图3所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2022.06.014.F003图3飞轮储能装置的控制系统利用Clark变换、park变换等配合SVPWM调制器，搭建飞轮储能的控制框图。一般飞轮储能系统采用的控制策略为[8]：（1）在充电状态下，切换开关s与a相连，利用飞轮额定转速，采用“转速-电流”双闭环调速控制，控制电机充电，使飞轮转速升高至额定转速后充电结束，从电网吸收小部分能量，克服摩擦维持转速恒定，进入能量维持模式。（2）在放电模式下，切换开关s切换为与b相连，采用“电压-电流”双闭环控制，以保持直流母线电压的稳定，飞轮转速降低，使储能装置中的电机向直流母线回送电能。采用基于直流电压的高速飞轮储能系统的充放电控制方法，实时检测直流网直流电压以及飞轮转子的转速等相关信息[9]。4仿真验证4.1建立仿真模型利用Matlab/Simulink软件建立仿真模型。提升机的电气传动系统模型如图4所示，提升机的控制策略模型如图5所示。建立的模型用以验证高速飞轮储能系统应用于矿井提升机回收再生势能方案的可行性。10.3969/j.issn.1004-7948.2022.06.014.F004图4提升机电气传动系统模型10.3969/j.issn.1004-7948.2022.06.014.F005图5提升机的控制策略模型仿真参数[10]设定为：定子电阻10.86 Ω，定子绕组等效电感0.026 82 H，转动惯量250 kg·m2，直流母线设定值700 V，能耗电阻2.50 Ω，拖动转矩95 N·m。由图4和图5可知，电网电源设置110 kV/50 Hz三相交流电，经网侧变流器与机侧变流器驱动电机。飞轮储能回收装置接在驱动电机端口，用于重物起降过程中势能回收与释放的控制。飞轮升速过程中电流和转子转速曲线如图6所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2022.06.014.F006图6飞轮升速过程中电流和转子转速曲线由图6(a)可知，飞轮电机的转子转速在一定时间内，转速稳定在8 000 r/min，充电时间与提升机重物下降时间匹配。由图6(b)和图6(c)可知，飞轮充电到额定转速，由交流永磁同步电机的瞬态电流波形可知，电机的转子转速升高时，会汲取大电流以升高转速；电机的转子转速逐渐稳定后，飞轮储能系统停止充电，电机的A相电流逐渐减小，进入热备待机模式，稳定时仅由小电流维持转子转速恒定。4.2重物下降过程驱动电机转速、飞轮转速及电机直流侧电流如图7所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2022.06.014.F007图7驱动电机转速、飞轮转速及电机直流侧电流由图7(a)可知，重物下降时，0~2 s驱动电机从0开始加速，2 s后电机加速完成；2~47 s电机反转维持转速87.50 r/min匀速运行状态；47~50 s电机减速制动，驱动电机向外发电。由图7(b)可知，从网侧吸收能量充电，飞轮转速升高至额定转速，重物下降产生的重力势能以动能形式储存在飞轮储能装置中。根据旋转物体动能计算公式，飞轮在重物下降过程中吸收的能量Ech为：Ech=12Jωfinal2-12Jωinitial2 (1)式中：ωfinal——飞轮充电后设置的额定转速，r/min；ωinitial——飞轮减速后维持的相应转速，r/min；J——转动惯量，kg·m2。解式(1)得：Ech=23.97 kWh。由图7(c)可知，驱动电机在重物下降过程中产生的电能27.60 kWh，飞轮储能回收的能量占比86.9%。4.3重物提升过程（驱动电机转速与飞轮转速的变化曲线如图8所示。由图8(a)可知，0~2 s驱动电机从0开始加速，2 s后电机加速过程完成；2~47 s电机维持转速87.50 r/min匀速运行状态；47~50 s电机减速制动。由图8(b)可知，飞轮储能由初始转速8 000 r/min（飞轮已预先充电至设定转速）开始减速放电，至减速后设定转速，停止放电。控制系统控制飞轮进入能量维持状态，运行转速维持在3 000 r/min。10.3969/j.issn.1004-7948.2022.06.014.F008图8驱动电机转速与飞轮转速的变化曲线4.4驱动电机响应速度及直流电网电压对比驱动电机转速对比如图9所示。直流电网电压对比如图10所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2022.06.014.F009图9驱动电机转速对比10.3969/j.issn.1004-7948.2022.06.014.F010图10直流电网电压对比当不使用飞轮储能装置时，电机转速变换过程如图9(a)所示，直流电网电压如图10(a)所示。假设当时间50 s时，重物从下降过程转换为上升工况。驱动电机转速的过渡时间2.27 s。电网电压发生波动，原因在于电机从电网吸收能量，直流网电压下降，电压发生波动。当装有飞轮储能装置时，电机的响应速度如图9(b)所示，直流电网电压如图10(b)所示。当具有飞轮储能装置时，过渡过程时间0.598 s，相比于不加装飞轮储能装置时，驱动电机的响应速度明显提升。直流电网电压相比于不加装飞轮储能装置时更加平缓。5结语针对矿井提升机载物质量大、下降高度深等特点，提出利用飞轮储能系统回收重物下降过程中产生势能的方案。通过控制方案，实现势能的回收且循环利用。利用Matlab/Simulink软件进行仿真试验，表明飞轮储能应用在矿井提升机中可有效回收矿物下降势能，回收占比约90%，且在重物上升过程中释放出来，实现能量的循环利用。由于飞轮储能装置可迅速释放能量，能够改善提升机中载物电机响应速度，使电机可以快速响应，改善运行工况。飞轮储能装置能够有效抑制直流电网的波动，节约能源。