船舶用自動風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的建模與仿真

王躍飛，張圓圓，何永玲，謝積錦

(北部灣大學(xué)機(jī)械與船舶海洋工程學(xué)院，廣西欽州535011)

0 引言

面對日益嚴(yán)峻的能源及環(huán)境污染問題，世界各國均在進(jìn)行能源轉(zhuǎn)型布局，在全球新增發(fā)電裝機(jī)的設(shè)備中，新能源的裝機(jī)數(shù)量在逐年增加。法國、德國、意大利和英國將平穩(wěn)有序地退出火電的電力供應(yīng)。日本也提出將全國電能消耗的20%由新能源來供給。中國的新能源產(chǎn)業(yè)也已經(jīng)得到良好的發(fā)展，據(jù)統(tǒng)計，截至2017年初累計風(fēng)力裝機(jī)總?cè)萘窟_(dá)到16 873萬kW，累計風(fēng)力發(fā)電量為2 113.2億kW·h[1-2]。

綠色新能源船舶成為未來船舶發(fā)展的主要方向。海上的風(fēng)力資源豐富，因此利用風(fēng)能發(fā)電作為大型遠(yuǎn)洋船舶上的輔助供電能緩解一部分石化燃料的消耗，同時也能減少船舶柴油機(jī)發(fā)電對海洋造成的污染。2009年海上環(huán)境保護(hù)委員會(IMO)第59屆會議提出了新的船能效設(shè)計指數(shù)，要求到2024年碳類的排放量減少10%。所以，發(fā)展綠色航運，綜合利用新能源，加強(qiáng)風(fēng)能在船舶上的應(yīng)用，對我國船舶的綠色發(fā)展具有十分重要的意義。

當(dāng)前，海運已成為全球運輸?shù)闹饕绞?，其發(fā)展離不開船舶工業(yè)的進(jìn)步，船舶中的電源裝置、配電裝置、電力網(wǎng)和負(fù)載組成的船舶電力系統(tǒng)是當(dāng)下船舶系統(tǒng)的必備設(shè)備。在這樣的現(xiàn)狀下，船舶電站的設(shè)計方案在投入使用前就需要一系列的評估，而計算機(jī)仿真模擬就可以很好地解決船舶中電壓系統(tǒng)研究時所面臨的實際風(fēng)險，是一種安全可靠的分析方法。因此，筆者以陸地電網(wǎng)為參考，考慮船舶上風(fēng)能環(huán)境與電能利用的實際情況，用計算機(jī)仿真軟件設(shè)計了自動風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的模型，探討船舶電力系統(tǒng)中風(fēng)力發(fā)電是否能夠穩(wěn)定輸出的情況。

呂建等提出太陽能和風(fēng)能混合利用，將太陽能電池板和風(fēng)力發(fā)電機(jī)板簡單地連接在一起，使其能夠同時工作并能供電[3]。在此基礎(chǔ)上由科羅拉多州大學(xué)、美國國家可再生新能源的實驗室研發(fā)的Hybrid2模擬軟件，實現(xiàn)了風(fēng)光發(fā)電裝置的模擬[4-5]。這些研究實現(xiàn)了從實驗與仿真層面上的風(fēng)光新能源初步的合并使用。邱赟等通過建立綜合評價指標(biāo)的方法，對船舶微電網(wǎng)接入方式進(jìn)行研究，提出包含應(yīng)急啟動功能的船舶微電網(wǎng)初步解決方案[6]。段樹華利用電池船上風(fēng)機(jī)的參數(shù)，在MATLAB軟件上仿真可行后，進(jìn)行船上電池輔助負(fù)載供電測試實驗，驗證風(fēng)機(jī)發(fā)電可用[7]。林治國等建立了風(fēng)力發(fā)電機(jī)模型，并通過實驗得出，風(fēng)力電機(jī)的轉(zhuǎn)速越快其輸出的電壓越高的結(jié)論，但其研究未涉及風(fēng)機(jī)發(fā)電與船舶電網(wǎng)系統(tǒng)的并行運行[8]。馬川等依據(jù)風(fēng)能與光能發(fā)電的數(shù)學(xué)模型，優(yōu)化配置兩者運行的參數(shù)，為船舶光伏與風(fēng)能的搭建設(shè)計減少成本[9]。

分析國內(nèi)外高校與研究機(jī)構(gòu)針對新能源混合利用系統(tǒng)的研究發(fā)現(xiàn)，優(yōu)化配置及計算機(jī)仿真模擬的研究已經(jīng)全面展開。本課題組就海上風(fēng)力發(fā)電的特點建立風(fēng)力發(fā)電機(jī)組模型，結(jié)合船舶在運行時的孤島特性，利用仿真軟件進(jìn)一步探究風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)與船上電網(wǎng)并行運行的可行性。

1 船舶風(fēng)電系統(tǒng)

1.1 船舶電力系統(tǒng)的運行特點

船舶在海上航行時就像一座孤島，自身的各個系統(tǒng)都要自成體系，而電力系統(tǒng)需要有自行專用發(fā)電設(shè)備，在技術(shù)方面有以下基本要求：

(1)三相交流電源應(yīng)具有結(jié)構(gòu)簡單、穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)的特點，船舶系統(tǒng)可以使用三相交流電源，通過晶閘管或者其他變頻裝置直接為負(fù)載供電；

(2)變頻裝置在低速運行時需要的功率輸入較大，在船舶電力系統(tǒng)中，對于無功功率問題，通常要求功率因數(shù)控制在0.64～0.70，交流變頻驅(qū)動時為0.80；

(3)穩(wěn)定性要求較高，需要電壓和頻率都足夠穩(wěn)定；

(4)動態(tài)響應(yīng)快，電壓、頻率等調(diào)節(jié)系統(tǒng)的響應(yīng)要迅速。

船舶的電力系統(tǒng)工作在大海上，相比于陸地來說，天氣變化莫測，環(huán)境更加嚴(yán)峻。惡劣的環(huán)境對電力設(shè)備的工作壽命和工作穩(wěn)定性都是嚴(yán)重的威脅。船舶電力系統(tǒng)同樣要適應(yīng)惡劣的海洋環(huán)境造成的影響，比如腐蝕、潮濕、變形等，這些因素都會引起發(fā)電機(jī)動力不足及提供的電能不穩(wěn)定等問題。當(dāng)船舶在航行中出現(xiàn)大幅度的擺動或者航行環(huán)境不穩(wěn)定的時候，電力系統(tǒng)會受到碰撞或者振動，也會導(dǎo)致設(shè)備的接觸不良、誤動作甚至?xí)p壞設(shè)備。因此，保證船舶用電的穩(wěn)定性和可靠性顯得尤為重要。

1.2 風(fēng)能特點分析

風(fēng)速的不穩(wěn)定可使風(fēng)力發(fā)電機(jī)的輸出波動不穩(wěn)定，不易于被負(fù)載直接利用。在風(fēng)速很弱或者無風(fēng)的時候，不足以推動風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)動，無法產(chǎn)生電能，所以需要加入蓄電池，才能使它成為系統(tǒng)的第二個電源。由于風(fēng)機(jī)產(chǎn)生的電能是不穩(wěn)定的，無法直接使用和存儲，只有通過整流器整流之后才能將電能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能，并儲存在蓄電池中。由于蓄電池產(chǎn)生的是直流電，而船舶自身電網(wǎng)和大部分用電裝置都是交流電，所以需要通過逆變器將蓄電池輸出的直流電轉(zhuǎn)換為交流電再接入船舶電網(wǎng)。整個過程分別經(jīng)歷了兩大轉(zhuǎn)換即：“電能→化學(xué)能→電能”以及“交流→直流→交流”的過程?，F(xiàn)階段離網(wǎng)型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 離網(wǎng)型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)示意圖

船舶上的風(fēng)機(jī)運行及供電，在不同風(fēng)速作用下一般會出現(xiàn)4種能量傳輸模式：第一種情況，當(dāng)風(fēng)速到達(dá)風(fēng)機(jī)額定功率所需要的風(fēng)速時，風(fēng)機(jī)啟動發(fā)電，經(jīng)過整流、直流升壓、逆變電路直接向船舶系統(tǒng)輸送電力；第二種情況，當(dāng)推動葉片的風(fēng)速較大時，產(chǎn)生的電能在供給船舶系統(tǒng)的同時還要對風(fēng)機(jī)進(jìn)行剎車保護(hù)，防止葉片轉(zhuǎn)動過快導(dǎo)致風(fēng)機(jī)損壞，同時利用蓄電池將多余的電能進(jìn)行存儲，當(dāng)蓄電池也進(jìn)入飽和狀態(tài)時則將多余的能量通過泄能裝置進(jìn)行釋放；第三種情況，當(dāng)風(fēng)速達(dá)到推動葉片使得風(fēng)機(jī)發(fā)電的速度，但是還不到額定風(fēng)速時，則通過蓄電池放電進(jìn)行補(bǔ)償向船舶系統(tǒng)供電；第四種情況，當(dāng)風(fēng)速不足以推動風(fēng)機(jī)葉片轉(zhuǎn)動時，則蓄電池直接向船舶供給電能。具體如圖2所示。

圖2 4種能量傳輸模式

1.3 風(fēng)場的建模

由于風(fēng)的隨機(jī)性和間歇性，需要分析風(fēng)電裝置在接入船舶電力系統(tǒng)時所產(chǎn)生的影響，通過Simulink對風(fēng)進(jìn)行模擬建立風(fēng)場模型。通常風(fēng)速vW的模型由基本風(fēng)vWB、陣風(fēng)vWG、隨機(jī)風(fēng)vWR、漸變風(fēng)vWN4個模擬分量組成，即

vW=vWB+vWG+vWR+vWN。

(1)

1.3.1 基本風(fēng)速模型

基本風(fēng)反映了風(fēng)機(jī)運行所受平均風(fēng)速的變化，它存在于風(fēng)機(jī)正常運行的整個過程，對風(fēng)機(jī)向系統(tǒng)輸送額定功率的大小起著重要的作用。對于獨立運行的風(fēng)機(jī)，基本風(fēng)速一般為常數(shù)，本文選取基本風(fēng)速為13。

1.3.2 陣風(fēng)風(fēng)速模型

在一段時間內(nèi)忽大忽小的風(fēng)速被稱為陣風(fēng)，它在該段時間內(nèi)呈現(xiàn)余弦特性，在氣象中陣風(fēng)通常又指瞬間極大風(fēng)速。陣風(fēng)風(fēng)速模型的建立有利于分析風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)對電網(wǎng)電壓波動產(chǎn)生的影響，考核系統(tǒng)在較大風(fēng)的作用下的電壓波動特性。陣風(fēng)符合公式：

(2)

式中，vWGmax為陣風(fēng)峰值；t為時間變量；t1為陣風(fēng)開始時間；t2為陣風(fēng)周期。模型中選取t1為0；t2為60。

1.3.3 隨機(jī)風(fēng)風(fēng)速模型

隨機(jī)風(fēng)也稱為噪聲風(fēng)，描述了風(fēng)的隨機(jī)變化，隨機(jī)風(fēng)存在于風(fēng)機(jī)運行的整個過程中，用公式(3)來表達(dá)：

(3)

式中：vr為隨機(jī)風(fēng)的波動幅值；ran(1，-1)為1到-1之間的隨機(jī)數(shù)；其中，ωx是第x個分量的角頻率；φx為0～2π之間的均勻分布的隨機(jī)變量。直接使用輸入隨機(jī)信號代替各項隨機(jī)變量。

1.3.4 漸變風(fēng)風(fēng)速模型

漸變風(fēng)在3個時間段內(nèi)保持線性變化，用式(4)來表達(dá)：

(4)

式中，vWNmax為漸變風(fēng)最大值；ta、tb、tg分別為陣風(fēng)的開始加強(qiáng)的時間和最大值持續(xù)時間以及加強(qiáng)結(jié)束的時間，仿真中tb、tg均取值為30。

1.3.5 自動風(fēng)風(fēng)速模型

得到的4個風(fēng)速模型組成模擬分量，根據(jù)式(1)的加法運算建立綜合自動風(fēng)速仿真模型圖如圖3所示，示波器輸出的風(fēng)速仿真波形如圖4所示。

圖3 自動風(fēng)風(fēng)速Simulink模型

圖4 自動風(fēng)風(fēng)速仿真波形

由圖4可以看出，自動風(fēng)風(fēng)速仿真波形是由上下波動較大的綜合波形連接而成，大體上呈現(xiàn)先變大再變小的特征，與實際海風(fēng)的特性相符。

2 船舶風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)模型建立與仿真分析

2.1 風(fēng)力發(fā)電工作原理

風(fēng)力發(fā)電是通過風(fēng)的作用力將風(fēng)機(jī)的葉片推動，葉片通過增速后帶動風(fēng)機(jī)內(nèi)部電機(jī)工作，是風(fēng)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能再轉(zhuǎn)換為電能的過程。根據(jù)貝茨理論，風(fēng)力機(jī)的功率受到空氣密度、風(fēng)速、受風(fēng)面積影響[1，9]，即：

(5)

(6)

式中,ρ是空氣密度，kg/m3；v是風(fēng)速，m/s；A為風(fēng)機(jī)捕獲風(fēng)能面積；R為風(fēng)輪半徑，m；ω為風(fēng)力機(jī)機(jī)械角速度[9]，rad/s；Cp為風(fēng)力機(jī)輸出功率系數(shù)(一般Cp為1/3～2/5,最大可達(dá)16/27)，它是槳葉尖速度與風(fēng)速之比λ和槳葉節(jié)距角α的函數(shù)，當(dāng)葉距角的值恒定時，風(fēng)機(jī)輸出功率系數(shù)Cp只由葉尖速度與風(fēng)速之比決定。

把每個風(fēng)速所對應(yīng)的最大功率點連接在一起，就形成了最佳功率曲線，風(fēng)機(jī)最佳功率跟轉(zhuǎn)速的關(guān)系如下：

Pmax=kn3，

(7)

(8)

在圖5中，v1、v2、v3為不同的風(fēng)速，且v1>v2>v3；n為風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，其中n1、n2、n3為不同的轉(zhuǎn)速點和v1、v2、v3的交點，為最大功率點。將每個最大功率輸出點連線得到了Popt曲線，也稱為最佳功率曲線。由圖5可以看出，要使功率保持在最佳功率曲線上，就得在風(fēng)速改變時及時地改變發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速。

圖5 不同風(fēng)速下功率曲線及最佳功率曲線圖

風(fēng)機(jī)只有以額定功率輸出，才能保證其所接入的電網(wǎng)能更好地利用風(fēng)能。變速恒頻技術(shù)能確保風(fēng)機(jī)時刻輸出額定功率。在低風(fēng)速時，調(diào)節(jié)槳距角定漿距運行，來實現(xiàn)風(fēng)能的最大捕獲，再通過電路反饋來控制風(fēng)機(jī)的輸出功率達(dá)到額定輸出值；在高風(fēng)速時，通過改變漿距，控制槳距角實現(xiàn)恒定功率輸出。

2.2 風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的Simulink建模

設(shè)計的小型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)[10-11]主要由三相電源、2個三相變壓器(220 kV/35 kV、47 MVA)、(25 kV/575 V、12 MVA)、三相π線路(100 kM)、三相電壓電流測量原件(575 V)以及風(fēng)力渦輪感應(yīng)發(fā)電機(jī)等組成，如圖6所示。將圖3所示自動風(fēng)速模型y保存在圖6中的工作區(qū)內(nèi)，將風(fēng)速模型輸入風(fēng)力渦輪感應(yīng)發(fā)電機(jī)模塊，風(fēng)力電機(jī)開始運行，輸出結(jié)果的信號發(fā)送到Goto模塊，由Goto模塊轉(zhuǎn)到From模塊再到示波器輸出。

圖6 小型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)

為了驗證所建風(fēng)力發(fā)電模塊中的故障保護(hù)作用，以保證系統(tǒng)運行中的電壓電流不會出現(xiàn)大的波動，甚至短路，在原發(fā)電系統(tǒng)的基礎(chǔ)上加入三相故障源，模擬故障出現(xiàn)時的情形(如圖7)。

圖7 故障仿真模型

2.3 建模結(jié)果分析

在風(fēng)速為自動風(fēng)的情況下，仿真波形輸出如圖8所示。工作區(qū)提取時間選取0 s可以近似為有風(fēng)時風(fēng)機(jī)開始工作，仿真時間取值為30 s。由圖8可知，在輸出電壓誤差較小時，無功功率參與調(diào)壓，因此這時Q基本為0。風(fēng)力發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)動就會產(chǎn)生相對應(yīng)的有功功率。由圖8可以看出，發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速波形與有功曲線基本一致。由于變槳系統(tǒng)的存在，需要輸出部分電壓參與變槳，故而電壓波形和無用功波形相似。整體上，在小波動的自動風(fēng)速時，在誤差允許的情況下，輸出功率系數(shù)因數(shù)基本都在0.98以上，即相對穩(wěn)定輸出。

圖8 風(fēng)速波動時風(fēng)電系統(tǒng)的輸出特性

考慮風(fēng)速恒定時線路上的三相電源短路，對風(fēng)機(jī)發(fā)電系統(tǒng)自身的故障處理仿真時間選取0.5 s，風(fēng)速波形y選取時間為1，理解為系統(tǒng)運行一段時間才出現(xiàn)故障。由故障輸出波形圖9所示，可以發(fā)現(xiàn)以下情況：風(fēng)速恒定13 m/s時，在故障模擬加入后，風(fēng)機(jī)輸出波形出現(xiàn)明顯變化，由1直接變?yōu)?，有功功率與無功功率這時也輸出為零，進(jìn)行保護(hù)調(diào)整時間達(dá)0.1 s，之后，經(jīng)由小的波動，逐步恢復(fù)正常。

圖9 三相短路故障時風(fēng)機(jī)的輸出波形

從以上仿真效果可以看出，風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)分別在自動風(fēng)與恒定風(fēng)風(fēng)速發(fā)生故障時輸出相對穩(wěn)定的電流電壓，可以達(dá)到接入船舶電網(wǎng)使用的標(biāo)準(zhǔn)，從而驗證本文搭建模型的有效性。但是，考慮到船舶航運工況[12]有進(jìn)出港工況、停泊工況、裝卸作業(yè)工況和航行工況，在不同工況下，船舶用電負(fù)荷差異較大，因此，為了更好地發(fā)揮風(fēng)電的效能，蓄電池作為主要的調(diào)峰儲能設(shè)備必不可少。今后可考慮在仿真時加入作為儲能裝置的蓄電池模塊，進(jìn)一步探究船舶微電網(wǎng)孤島運行的情況。

3 結(jié)語

面對航運綠色可持續(xù)發(fā)展的現(xiàn)狀，如何利用海上豐富的風(fēng)能資源是一個重要課題。本課題組針對船舶上的自動風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行了模擬探究，通過仿真驗證發(fā)現(xiàn)，風(fēng)機(jī)發(fā)電的有功曲線與綜合風(fēng)速變化趨勢基本一致，并網(wǎng)電壓輸出基本穩(wěn)定，可見課題組建立的模型是有效的。這一研究結(jié)果可為后續(xù)船舶微電網(wǎng)中風(fēng)電并網(wǎng)的控制策略調(diào)整提供仿真平臺，對海上航行的船舶采用風(fēng)能作為電力推進(jìn)能源的開發(fā)新途徑也具有借鑒意義。