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

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）

隨著國家政策的推進，城市軌道交通近年來在我國得到普及。地鐵隧道封閉在地下，區(qū)間長度較大，適合風(fēng)能捕捉。隨著節(jié)能減排的推進，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，例如，地鐵運營具有周期性，列車通過時間可以預(yù)測。目前的地鐵隧道廣告燈主要有2種：一種為站臺附近的常亮廣告燈箱，另一種為隧道動態(tài)LED廣告，這類廣告在北京、上海已經(jīng)得到了廣泛應(yīng)用。

本文通過對地鐵隧道區(qū)間風(fēng)力實測，向包括北京、上海等多個城市的隧道LED廣告提供商咨詢確定負載，設(shè)計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)計用多臺小功率低壓直驅(qū)永磁風(fēng)力發(fā)電機并入母線，省去了齒輪箱等傳動裝置。系統(tǒng)使用AC-DC-AC變流方案，經(jīng)過蓄電池儲能后逆變輸出AC220 V/50 Hz穩(wěn)定三相電。同時，本文結(jié)合隧道施工標準對風(fēng)力發(fā)電機的安裝設(shè)置提出要求，保證行車安全。

對于所設(shè)計的系統(tǒng)方案，采用PSCAD搭建模型仿真，驗證設(shè)計方案的可行性。

1 系統(tǒng)環(huán)境參數(shù)

利用流體力學(xué)及活塞風(fēng)知識，基于廣州地鐵2號線6輛A型車參數(shù)計算可知，列車速度為60 km/h時，活塞風(fēng)速可達8.88 m/s；車速為80 km/h時，活塞風(fēng)速則可達11.83 m/s[1]。在理論數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，我們在北京地鐵4號線西苑-北宮門區(qū)間進行了多次隧道風(fēng)速測量，實測數(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號線市內(nèi)的最大運營速度在60 km/h左右，符合風(fēng)速理論預(yù)期。

目前，北京地鐵最高時速達100 km（6號線、昌平線入地段），同時，北京正在建設(shè)最高設(shè)計時速可達120 km的線路（19號線、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，以提升運營時速。對于這類線路的風(fēng)能資源捕捉最為理想，因此系統(tǒng)設(shè)計重點考慮高時速、大長度的區(qū)間。

圖1 西苑-北宮門區(qū)間測速

對于隧道區(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，并考慮將風(fēng)力機垂直拉伸，以保證發(fā)電效率。

之后我們確定負載。LED動態(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LED燈柱，每個燈柱有480個LED，當列車經(jīng)過時，利用“視覺暫存”原理，讓車廂里的乘客看到地鐵隧道里的動態(tài)畫面[2]。通過調(diào)研，初步估計在單個區(qū)間內(nèi)，一段以15 s為標準的隧道動態(tài)廣告，其交流負載的平均功率大約為3.6 kW。

對于不同的負載情況，可靈活調(diào)整并入母線的發(fā)電機數(shù)目，以滿足隧道內(nèi)負載的需要。

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

2.1 風(fēng)力機數(shù)學(xué)模型

依據(jù)貝茲理論，得到風(fēng)力機的功率為：

式（1）中：CP為風(fēng)能利用系數(shù)。

對于變槳距的風(fēng)力機，總可以使CP達到最大值0.593.在實際生產(chǎn)實踐中，風(fēng)力機的CP取值常在0.4附近。

2.2 永磁同步發(fā)電機模型

采用電動機慣例確定正方向，永磁同步發(fā)電機在dq旋轉(zhuǎn)坐標系下的電壓方程為[3]：

2.3 變流方案設(shè)計

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

我們在PSCAD平臺下進行了系統(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)速不會產(chǎn)生較大波動，工況單一，因此我們根據(jù)工程實際測量出的風(fēng)速值（圖1）進行仿真。受設(shè)備所限，風(fēng)速測量間隔為1 s，對于1 s內(nèi)的風(fēng)速變化我們補償±0.3 m/s的隨機波動。在本文的計算中，僅考慮動態(tài)LED燈負載，選取機組總功率4 kW，交流負載功率3.6 kW。

算例1：系統(tǒng)風(fēng)速情況根據(jù)實測數(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)束時相比開始時明顯增加。風(fēng)速波動而風(fēng)機輸出功率穩(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平均運行風(fēng)速較低，在該工況下，當風(fēng)速較大時，蓄電池可以保持SOC上升，隨著系統(tǒng)的運行，蓄電池容量相比初始容量變化較小，系統(tǒng)可以長期穩(wěn)定運行。以上2個實測數(shù)據(jù)仿真結(jié)果證明了當風(fēng)速波動時，負載電壓幅值與頻率保持穩(wěn)定，同時風(fēng)機輸出的平均功率保持4 kW，系統(tǒng)具有工程實踐意義。

4 結(jié)束語

本文設(shè)計了基于地鐵隧道區(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，驗證了系統(tǒng)在隧道風(fēng)速隨機變化條件下可以長期穩(wěn)定運行，為隧道特種風(fēng)力機的設(shè)計提供了參考。

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