基于PSCAD仿真的地铁风力发电系统设计

2018-03-30许弈飞

科技与创新 2018年6期

许弈飞，周明

（华北电力大学电气与电子工程学院，北京 102206）

随着国家政策的推进，城市轨道交通近年来在我国得到普及。地铁隧道封闭在地下，区间长度较大，适合风能捕捉。随着节能减排的推进，本文提出捕获地铁活塞风，供电给隧道中的广告灯箱来使用。

地铁活塞风相比其他类型的隧道活塞风具有明显的利用优势，例如，地铁运营具有周期性，列车通过时间可以预测。目前的地铁隧道广告灯主要有2种：一种为站台附近的常亮广告灯箱，另一种为隧道动态LED广告，这类广告在北京、上海已经得到了广泛应用。

本文通过对地铁隧道区间风力实测，向包括北京、上海等多个城市的隧道LED广告提供商咨询确定负载，设计出合理的小型地铁隧道风力发电系统。在隧道内部，受空间限制，设计用多台小功率低压直驱永磁风力发电机并入母线，省去了齿轮箱等传动装置。系统使用AC-DC-AC变流方案，经过蓄电池储能后逆变输出AC220 V/50 Hz稳定三相电。同时，本文结合隧道施工标准对风力发电机的安装设置提出要求，保证行车安全。

对于所设计的系统方案，采用PSCAD搭建模型仿真，验证设计方案的可行性。

1 系统环境参数

利用流体力学及活塞风知识，基于广州地铁2号线6辆A型车参数计算可知，列车速度为60 km/h时，活塞风速可达8.88 m/s；车速为80 km/h时，活塞风速则可达11.83 m/s[1]。在理论数据的基础上，我们在北京地铁4号线西苑-北宫门区间进行了多次隧道风速测量，实测数据如图1所示。从图1可以看出，风速数据基本分布在8.5 m/s附近。

北京地铁4号线市内的最大运营速度在60 km/h左右，符合风速理论预期。

目前，北京地铁最高时速达100 km（6号线、昌平线入地段），同时，北京正在建设最高设计时速可达120 km的线路（19号线、平谷线）。此类高速线路采用“大站快线”方案，即减少设站，使两站间距较大，以提升运营时速。对于这类线路的风能资源捕捉最为理想，因此系统设计重点考虑高时速、大长度的区间。

图1 西苑-北宫门区间测速

对于隧道区间内部，列车在行驶过程中需要克服空气阻力，因此安装的风力机不能过大，以保证不为列车增加额外阻力。为了保证列车行驶安全，需要根据空间大小确定设备安装限界。隧道水平方向可用空间较小，允许的最大风轮直径约为700 mm，只能选择垂直轴风力发电机，并考虑将风力机垂直拉伸，以保证发电效率。

之后我们确定负载。LED动态广告是近年新发展的隧道传媒方式，从媒体提供商处了解到，在隧道中间的300 m区间装了500个LED灯柱，每个灯柱有480个LED，当列车经过时，利用“视觉暂存”原理，让车厢里的乘客看到地铁隧道里的动态画面[2]。通过调研，初步估计在单个区间内，一段以15 s为标准的隧道动态广告，其交流负载的平均功率大约为3.6 kW。

对于不同的负载情况，可灵活调整并入母线的发电机数目，以满足隧道内负载的需要。

2 系统结构设计与数学模型

2.1 风力机数学模型

依据贝兹理论，得到风力机的功率为：

式（1）中：CP为风能利用系数。

对于变桨距的风力机，总可以使CP达到最大值0.593.在实际生产实践中，风力机的CP取值常在0.4附近。

2.2 永磁同步发电机模型

采用电动机惯例确定正方向，永磁同步发电机在dq旋转坐标系下的电压方程为[3]：

2.3 变流方案设计

变流方案选取全功率双PWM变流。相比于传统的不控整流，该变流方案蓄电池的直流母线不需要过高的电压，减少了蓄电池串联数目。考虑对应功率电路的成本因素，双PWM变流在功率较小的系统中更为适用。

PWM变流本身就可以实现Boost升压，节省了升压电路，使系统可以在较大风速范围内运行，提高了系统效率，在低压直驱系统中常采用这类方法变流。

3 仿真结果

我们在PSCAD平台下进行了系统仿真，由于隧道内部风力条件固定，列车通过过程中风速不会产生较大波动，工况单一，因此我们根据工程实际测量出的风速值（图1）进行仿真。受设备所限，风速测量间隔为1 s，对于1 s内的风速变化我们补偿±0.3 m/s的随机波动。在本文的计算中，仅考虑动态LED灯负载，选取机组总功率4 kW，交流负载功率3.6 kW。

算例1：系统风速情况根据实测数据输入，如图2所示。

图2 风速数据（算例1）

蓄电池容量变化情况如图3所示。由图3可知，在此工况下，蓄电池SOC在仿真结束时相比开始时明显增加。风速波动而风机输出功率稳定。

图3 蓄电池容量（SOC）变化（算例1）

算例2：风速输入按图4所示变化。

图4 风速数据（算例2）

图5 蓄电池容量（SOC）变化（算例2）

图5为蓄电池容量变化。算例2相比算例1平均运行风速较低，在该工况下，当风速较大时，蓄电池可以保持SOC上升，随着系统的运行，蓄电池容量相比初始容量变化较小，系统可以长期稳定运行。以上2个实测数据仿真结果证明了当风速波动时，负载电压幅值与频率保持稳定，同时风机输出的平均功率保持4 kW，系统具有工程实践意义。