礦用智能微型風(fēng)力儲能器仿真分析

李文正，寧掌玄，楊東輝，趙 凱，李敬賢

（山西大同大學(xué) 煤炭工程學(xué)院，山西 大同 037009）

0 引言

煤炭資源的開采在我國由來已久，煤炭資源已經(jīng)成為我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展不可或缺的重要經(jīng)濟(jì)組成部分，建國后我國煤炭開采技術(shù)設(shè)備不斷的更新?lián)Q代，煤炭資源開采工作技術(shù)裝備問題顯得越發(fā)重要，利用裝備優(yōu)勢提高煤炭生產(chǎn)效率增加大企業(yè)的經(jīng)濟(jì)利益，成為當(dāng)今各國從事煤炭開采行業(yè)的重要研究方向。

經(jīng)過對山西省忻州市河曲縣晉神能源有限公司下屬沙坪礦和磁窯溝煤礦的井下智能化煤礦開采設(shè)備的考察，井下工作人員反應(yīng)煤礦井下小功率監(jiān)控設(shè)備的頻繁電源更換控制情況和煤礦開采井下小功率監(jiān)控設(shè)備布設(shè)線路雜亂的諸多問題，造成小功率設(shè)備工作效果不是太理想的情況。對于這些問題，本文將進(jìn)行探索研究論證，測試采用微型智能風(fēng)力發(fā)電儲能器設(shè)備，利用井下巷道的風(fēng)能進(jìn)行發(fā)電、儲能、供電，解決上述井下小功率供電問題，使井下小功率設(shè)備監(jiān)控達(dá)到理想效果。

礦用微型風(fēng)力發(fā)電儲能器具有構(gòu)造簡單、運(yùn)行穩(wěn)定性高、外觀體積小、自身重量輕、電能損耗少、發(fā)電效率高等一系列優(yōu)點(diǎn)。我國把發(fā)展微型風(fēng)力發(fā)電技術(shù)作為常態(tài)化供電的一種新型模式，廣泛應(yīng)用于邊關(guān)、哨所、離散居民和漁民等場所的供電，其技術(shù)較為成熟。將該技術(shù)應(yīng)用于煤礦井下，將對煤礦智能化開采起到積極的促進(jìn)作用，具有推進(jìn)煤礦智能化建設(shè)和減少井下煤礦電能消耗等現(xiàn)實(shí)意義。

1 系統(tǒng)構(gòu)造

礦用微型風(fēng)力發(fā)電儲能器的基本構(gòu)造由微型風(fēng)力機(jī)、永磁發(fā)電機(jī)、整流電路、濾波電路、儲能器、防爆外殼及直流負(fù)載（以傳感器為例）等組成。微型風(fēng)力儲能器將煤礦巷道內(nèi)的風(fēng)能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，機(jī)械能使內(nèi)部轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)切割磁感線，經(jīng)過永磁同步發(fā)電機(jī)進(jìn)行發(fā)電，電流經(jīng)過一系列整流后流向?yàn)V波電路，轉(zhuǎn)換為相對穩(wěn)定的直流電壓給儲能器充電，儲能器既能自行充電又能給不同種類的小功率負(fù)載（如傳感器）供電，如圖1 所示。

圖1 微型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of micro wind power generation system

2 礦用微型儲能器各系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型建立

2.1 永磁同步發(fā)電機(jī)（PMSG）的數(shù)學(xué)模型

為了更好的分析礦用微型風(fēng)力發(fā)電儲能器PMSG 的基本工作性能，PMSG 基于d、q、o 同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系的數(shù)學(xué)模型如下。

電壓方程：

磁通鏈方程：

電磁轉(zhuǎn)矩方程：

運(yùn)動(dòng)方程：

式中：ud、uq分別為電機(jī)端電壓dq軸的分量；ψd、ψq分別為定子磁通鏈dq 軸的分量；id、if分別為電磁電流dq 軸的分量；ψf為發(fā)電機(jī)中永磁體建立的磁通鏈幅值；Ld、Lq分別為dq軸的同步電感；ω 為電機(jī)的角速度；Pn為發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子的磁極對數(shù)；ωr為發(fā)電機(jī)的機(jī)械角速度；Te、Tf分別為電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩和負(fù)載轉(zhuǎn)矩；J 為發(fā)電機(jī)聯(lián)軸器轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；RΩ為發(fā)電機(jī)的阻尼系數(shù)。

2.2 礦用微型儲能器設(shè)備數(shù)學(xué)模型

考慮到微型風(fēng)力發(fā)電儲能器在煤礦井下使用和風(fēng)力發(fā)電儲能器自身體積較小的情況，儲能器采用鋰電池進(jìn)行儲能，具有可以快速充放電、工作效率高、輸出功率穩(wěn)定可靠、使用壽命長等優(yōu)點(diǎn)。

儲能器的充電模型：

儲能器的放電模型：

式中：Vbatt為儲能器電壓；E0為恒壓源電壓；K 為極化電阻比例；Q 為儲能器電容；it為儲能器的實(shí)際充電量；R 為儲能器內(nèi)阻；i 為儲能器電流；A為指數(shù)區(qū)振幅；B 為指數(shù)區(qū)時(shí)間反向比例；i* 為濾波電流。

3 礦用微型風(fēng)力儲能器的控制技術(shù)研究

3.1 控制器的最大功率跟蹤算法

礦用微型儲能器主要由微型風(fēng)力發(fā)電機(jī)和儲能器構(gòu)成，由風(fēng)力發(fā)電機(jī)的控制系統(tǒng)進(jìn)行控制，控制技術(shù)的關(guān)鍵在于設(shè)計(jì)合適的控制算法，本文針對離網(wǎng)型礦用微型風(fēng)力發(fā)電儲能器系統(tǒng)開展研究。目前微型風(fēng)力發(fā)電儲能器的控制器系統(tǒng)最大功率跟蹤方法主要有3 種：風(fēng)速跟蹤法、功率反饋法、爬山法。根據(jù)煤礦巷道內(nèi)的實(shí)際情況，采用爬山法較為可行。

爬山法是通過施加人為的一些因素使轉(zhuǎn)子速度發(fā)生擾動(dòng)，通過測量微型風(fēng)力發(fā)電機(jī)功率的不斷變化，自動(dòng)逼近發(fā)電機(jī)的最大轉(zhuǎn)速點(diǎn)，用來確定微型發(fā)電機(jī)發(fā)出的最大功率，不需要知道具體的微型風(fēng)力發(fā)電機(jī)的本身特性，也不需要測量井下巷道內(nèi)的風(fēng)速和發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速。

如圖2 所示微型風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速和微型風(fēng)力的功率輸出的關(guān)系。假設(shè)巷道內(nèi)風(fēng)速為V1，同時(shí)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)速度為ω1，則系統(tǒng)的工作點(diǎn)在點(diǎn)A 處時(shí)就可以捕獲到巷道內(nèi)風(fēng)機(jī)的最大功率。

圖2 微型風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速和功率輸出的關(guān)系Fig.2 Relationship between rotor speed and power output of micro fan

微型風(fēng)力發(fā)電機(jī)在巷道內(nèi)只能利用巷道內(nèi)風(fēng)能的部分風(fēng)量，其大小與巷道內(nèi)的風(fēng)能系數(shù)密切相關(guān)，因此，根據(jù)礦用微型風(fēng)力發(fā)電機(jī)特性，做出以下數(shù)學(xué)分析。

風(fēng)機(jī)發(fā)電機(jī)特性：

由式（7）、式（8）得到機(jī)械功率：

微型風(fēng)力發(fā)電機(jī)在捕捉到功率最大點(diǎn)時(shí)，應(yīng)滿足：

式中：Pm為微型風(fēng)機(jī)所產(chǎn)生的機(jī)械功率；Cp微型風(fēng)力發(fā)電機(jī)風(fēng)能利用系數(shù)；ρ 為空氣質(zhì)量密度；A為微型風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片掃過的面積；V 為巷道內(nèi)的風(fēng)速；ω 為微型風(fēng)機(jī)的角速度；R 為微型風(fēng)機(jī)的風(fēng)輪半徑；λ 為葉速比；D 為占空比，u 為變換器輸入電壓，ωe為微型風(fēng)力發(fā)電機(jī)的相電壓角速度。

微型風(fēng)機(jī)內(nèi)部DC-DC 變換器斷續(xù)開關(guān)電源下的穩(wěn)態(tài)與動(dòng)態(tài)小信號特性：

式中：P 為微型風(fēng)力發(fā)電機(jī)的磁極對數(shù)；ωe為微型風(fēng)力發(fā)電機(jī)的相電壓角速度。

3.2 儲能器的充放電控制技術(shù)

儲能器是礦用微型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的重要設(shè)備之一，其主要作用是將巷道風(fēng)通過風(fēng)力發(fā)電機(jī)發(fā)出的大部分有效電能儲存到儲能器內(nèi)，儲能器充放電控制系統(tǒng)如圖3 所示。

圖3 儲能器的充放電控制系統(tǒng)Fig.3 Charging and discharging control systemof energy storage device

當(dāng)儲能器的電壓低于電力系統(tǒng)設(shè)置的條件值時(shí)，控制器就會自動(dòng)接通進(jìn)行充電和對負(fù)載供電；當(dāng)儲能器的電壓達(dá)到電力系統(tǒng)設(shè)置的條件值后，充電控制器自動(dòng)進(jìn)行關(guān)閉停止充電，只對負(fù)載供電；一段時(shí)間后，當(dāng)供電消耗電能導(dǎo)致電壓低于系統(tǒng)設(shè)置的電壓條件值時(shí)，控制器自動(dòng)重新打開對儲能器進(jìn)行充電，保證對負(fù)載不間斷供電。

4 搭建仿真模型和結(jié)果仿真分析

4.1 風(fēng)力機(jī)和最大功率模型的搭建

利用matlab/simulink 仿真軟件，根據(jù)上述公式分別搭建了圖4 所示的風(fēng)力機(jī)仿真模型和圖5 所示的最大功率跟蹤模型，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)仿真的研究。其中主要設(shè)計(jì)參數(shù)葉片半徑為0.35 m、額定功率為100 W、額定電壓為24 V、系統(tǒng)采樣頻率為50 Hz，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速為200 rad/s，額定風(fēng)速為9.5 m/s。系統(tǒng)的仿真總時(shí)間設(shè)為1.5 s，開始以額定風(fēng)速9.5 m/s 運(yùn)行0.5 s，之后在0.5 s 時(shí)使風(fēng)速從9.5 m/s 突然下降到7.6 m/s，驗(yàn)證最大功率跟蹤的可行性，之后再1 s時(shí)間后恢復(fù)到初始狀態(tài)9.5 m/s。

圖4 風(fēng)力機(jī)模Fig.4 Wind turbine model

圖5 最大功率跟蹤和輸出功率Fig.5 Maximum power tracking and output power

4.2 結(jié)果數(shù)據(jù)仿真分析

從圖6～圖8 中可以看出，當(dāng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)的風(fēng)速突然在0.5 s 降低時(shí)，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速也會突然下降，發(fā)電機(jī)的實(shí)際功率也隨著下降，發(fā)電機(jī)最大功率跟蹤發(fā)生擾動(dòng)以后也緩慢的下降，直到在風(fēng)速變換到1 s 時(shí)，發(fā)電機(jī)實(shí)際功率變?yōu)槌踔?00 W時(shí)，最大功率跟蹤經(jīng)過擾動(dòng)后，也恢復(fù)到了初值100 W，驗(yàn)證了風(fēng)力發(fā)電機(jī)最大功率跟蹤技術(shù)是可行的。

圖6 風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速Fig.6 Fan speed

圖7 轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速Fig.7 Rotor speed

圖8 風(fēng)力機(jī)跟蹤Fig.8 Wind turbine tracking

5 結(jié)語

本文主要對礦用微型風(fēng)力發(fā)電儲能器的系統(tǒng)構(gòu)造進(jìn)行了簡要的描述，對礦用微型儲能器的永磁同步發(fā)電機(jī)和儲能器建立了詳細(xì)的數(shù)學(xué)模型，同時(shí)對微型風(fēng)力發(fā)電機(jī)的核心控制最大功率跟蹤控制和儲能器充放電控制2 個(gè)主要部分進(jìn)行了詳細(xì)的闡述，并進(jìn)行了軟件仿真，為實(shí)現(xiàn)井下煤礦巷道風(fēng)能的有效利用、研究微型風(fēng)力發(fā)電儲能器的相關(guān)技術(shù)提供理論依據(jù)，同時(shí)也為下一步新型礦用智能風(fēng)力發(fā)電機(jī)的生產(chǎn)應(yīng)用打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)，推進(jìn)煤礦井下智能化裝備的升級應(yīng)用。