基于PSCAD仿真的地鐵風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)

許弈飛，周 明

（華北電力大學(xué) 電氣與電子工程學(xué)院，北京 102206）

隨著國(guó)家政策的推進(jìn)，城市軌道交通近年來在我國(guó)得到普及。地鐵隧道封閉在地下，區(qū)間長(zhǎng)度較大，適合風(fēng)能捕捉。隨著節(jié)能減排的推進(jìn)，本文提出捕獲地鐵活塞風(fēng)，供電給隧道中的廣告燈箱來使用。

地鐵活塞風(fēng)相比其他類型的隧道活塞風(fēng)具有明顯的利用優(yōu)勢(shì)，例如，地鐵運(yùn)營(yíng)具有周期性，列車通過時(shí)間可以預(yù)測(cè)。目前的地鐵隧道廣告燈主要有2種：一種為站臺(tái)附近的常亮廣告燈箱，另一種為隧道動(dòng)態(tài)LED廣告，這類廣告在北京、上海已經(jīng)得到了廣泛應(yīng)用。

本文通過對(duì)地鐵隧道區(qū)間風(fēng)力實(shí)測(cè)，向包括北京、上海等多個(gè)城市的隧道LED廣告提供商咨詢確定負(fù)載，設(shè)計(jì)出合理的小型地鐵隧道風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)。在隧道內(nèi)部，受空間限制，設(shè)計(jì)用多臺(tái)小功率低壓直驅(qū)永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)并入母線，省去了齒輪箱等傳動(dòng)裝置。系統(tǒng)使用AC-DC-AC變流方案，經(jīng)過蓄電池儲(chǔ)能后逆變輸出AC220 V/50 Hz穩(wěn)定三相電。同時(shí)，本文結(jié)合隧道施工標(biāo)準(zhǔn)對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)的安裝設(shè)置提出要求，保證行車安全。

對(duì)于所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)方案，采用PSCAD搭建模型仿真，驗(yàn)證設(shè)計(jì)方案的可行性。

1 系統(tǒng)環(huán)境參數(shù)

利用流體力學(xué)及活塞風(fēng)知識(shí)，基于廣州地鐵2號(hào)線6輛A型車參數(shù)計(jì)算可知，列車速度為60 km/h時(shí)，活塞風(fēng)速可達(dá)8.88 m/s；車速為80 km/h時(shí)，活塞風(fēng)速則可達(dá)11.83 m/s[1]。在理論數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，我們?cè)诒本┑罔F4號(hào)線西苑-北宮門區(qū)間進(jìn)行了多次隧道風(fēng)速測(cè)量，實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)如圖1所示。從圖1可以看出，風(fēng)速數(shù)據(jù)基本分布在8.5 m/s附近。

北京地鐵4號(hào)線市內(nèi)的最大運(yùn)營(yíng)速度在60 km/h左右，符合風(fēng)速理論預(yù)期。

目前，北京地鐵最高時(shí)速達(dá)100 km（6號(hào)線、昌平線入地段），同時(shí)，北京正在建設(shè)最高設(shè)計(jì)時(shí)速可達(dá)120 km的線路（19號(hào)線、平谷線）。此類高速線路采用“大站快線”方案，即減少設(shè)站，使兩站間距較大，以提升運(yùn)營(yíng)時(shí)速。對(duì)于這類線路的風(fēng)能資源捕捉最為理想，因此系統(tǒng)設(shè)計(jì)重點(diǎn)考慮高時(shí)速、大長(zhǎng)度的區(qū)間。

圖1 西苑-北宮門區(qū)間測(cè)速

對(duì)于隧道區(qū)間內(nèi)部，列車在行駛過程中需要克服空氣阻力，因此安裝的風(fēng)力機(jī)不能過大，以保證不為列車增加額外阻力。為了保證列車行駛安全，需要根據(jù)空間大小確定設(shè)備安裝限界。隧道水平方向可用空間較小，允許的最大風(fēng)輪直徑約為700 mm，只能選擇垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)，并考慮將風(fēng)力機(jī)垂直拉伸，以保證發(fā)電效率。

之后我們確定負(fù)載。LED動(dòng)態(tài)廣告是近年新發(fā)展的隧道傳媒方式，從媒體提供商處了解到，在隧道中間的300 m區(qū)間裝了500個(gè)LED燈柱，每個(gè)燈柱有480個(gè)LED，當(dāng)列車經(jīng)過時(shí)，利用“視覺暫存”原理，讓車廂里的乘客看到地鐵隧道里的動(dòng)態(tài)畫面[2]。通過調(diào)研，初步估計(jì)在單個(gè)區(qū)間內(nèi)，一段以15 s為標(biāo)準(zhǔn)的隧道動(dòng)態(tài)廣告，其交流負(fù)載的平均功率大約為3.6 kW。

對(duì)于不同的負(fù)載情況，可靈活調(diào)整并入母線的發(fā)電機(jī)數(shù)目，以滿足隧道內(nèi)負(fù)載的需要。

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與數(shù)學(xué)模型

2.1 風(fēng)力機(jī)數(shù)學(xué)模型

依據(jù)貝茲理論，得到風(fēng)力機(jī)的功率為：

式（1）中：CP為風(fēng)能利用系數(shù)。

對(duì)于變槳距的風(fēng)力機(jī)，總可以使CP達(dá)到最大值0.593.在實(shí)際生產(chǎn)實(shí)踐中，風(fēng)力機(jī)的CP取值常在0.4附近。

2.2 永磁同步發(fā)電機(jī)模型

采用電動(dòng)機(jī)慣例確定正方向，永磁同步發(fā)電機(jī)在dq旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的電壓方程為[3]：

2.3 變流方案設(shè)計(jì)

變流方案選取全功率雙PWM變流。相比于傳統(tǒng)的不控整流，該變流方案蓄電池的直流母線不需要過高的電壓，減少了蓄電池串聯(lián)數(shù)目。考慮對(duì)應(yīng)功率電路的成本因素，雙PWM變流在功率較小的系統(tǒng)中更為適用。

PWM變流本身就可以實(shí)現(xiàn)Boost升壓，節(jié)省了升壓電路，使系統(tǒng)可以在較大風(fēng)速范圍內(nèi)運(yùn)行，提高了系統(tǒng)效率，在低壓直驅(qū)系統(tǒng)中常采用這類方法變流。

3 仿真結(jié)果

我們?cè)赑SCAD平臺(tái)下進(jìn)行了系統(tǒng)仿真，由于隧道內(nèi)部風(fēng)力條件固定，列車通過過程中風(fēng)速不會(huì)產(chǎn)生較大波動(dòng)，工況單一，因此我們根據(jù)工程實(shí)際測(cè)量出的風(fēng)速值（圖1）進(jìn)行仿真。受設(shè)備所限，風(fēng)速測(cè)量間隔為1 s，對(duì)于1 s內(nèi)的風(fēng)速變化我們補(bǔ)償±0.3 m/s的隨機(jī)波動(dòng)。在本文的計(jì)算中，僅考慮動(dòng)態(tài)LED燈負(fù)載，選取機(jī)組總功率4 kW，交流負(fù)載功率3.6 kW。

算例1：系統(tǒng)風(fēng)速情況根據(jù)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)輸入，如圖2所示。

圖2 風(fēng)速數(shù)據(jù)（算例1）

蓄電池容量變化情況如圖3所示。由圖3可知，在此工況下，蓄電池SOC在仿真結(jié)束時(shí)相比開始時(shí)明顯增加。風(fēng)速波動(dòng)而風(fēng)機(jī)輸出功率穩(wěn)定。

圖3 蓄電池容量（SOC）變化（算例1）

算例2：風(fēng)速輸入按圖4所示變化。

圖4 風(fēng)速數(shù)據(jù)（算例2）

圖5 蓄電池容量（SOC）變化（算例2）

圖5為蓄電池容量變化。算例2相比算例1平均運(yùn)行風(fēng)速較低，在該工況下，當(dāng)風(fēng)速較大時(shí)，蓄電池可以保持SOC上升，隨著系統(tǒng)的運(yùn)行，蓄電池容量相比初始容量變化較小，系統(tǒng)可以長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行。以上2個(gè)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)仿真結(jié)果證明了當(dāng)風(fēng)速波動(dòng)時(shí)，負(fù)載電壓幅值與頻率保持穩(wěn)定，同時(shí)風(fēng)機(jī)輸出的平均功率保持4 kW，系統(tǒng)具有工程實(shí)踐意義。

4 結(jié)束語

本文設(shè)計(jì)了基于地鐵隧道區(qū)間活塞風(fēng)捕捉的小型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)，并通過PSCAD仿真結(jié)果，驗(yàn)證了系統(tǒng)在隧道風(fēng)速隨機(jī)變化條件下可以長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行，為隧道特種風(fēng)力機(jī)的設(shè)計(jì)提供了參考。

［1］胡威.地鐵隧道風(fēng)力發(fā)電探討［J］.城市軌道交通，2015（05）：114-117.

［2］［出版者不詳］.地鐵廣告背后的故事，你肯定不知道［J/OL］.彭博商業(yè)周刊.［2015-09-11］.http://www.siilu.com/20150911/148540.shtml.

［3］劉嚴(yán)，袁越，傅質(zhì)馨.直驅(qū)永磁風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)運(yùn)行的小干擾穩(wěn)定性分析［J］.電力系統(tǒng)及其自動(dòng)化學(xué)報(bào)，2012，24（5）：1-6.