王躍飛，張圓圓，何永玲，謝積錦

(北部灣大學機械與船舶海洋工程學院，廣西欽州535011)

0 引言

面對日益嚴峻的能源及環境污染問題，世界各國均在進行能源轉型布局，在全球新增發電裝機的設備中，新能源的裝機數量在逐年增加。法國、德國、意大利和英國將平穩有序地退出火電的電力供應。日本也提出將全國電能消耗的20%由新能源來供給。中國的新能源產業也已經得到良好的發展，據統計，截至2017年初累計風力裝機總容量達到16 873萬kW，累計風力發電量為2 113.2億kW·h[1-2]。

綠色新能源船舶成為未來船舶發展的主要方向。海上的風力資源豐富，因此利用風能發電作為大型遠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發電對海洋造成的污染。2009年海上環境保護委員會(IMO)第59屆會議提出了新的船能效設計指數，要求到2024年碳類的排放量減少10%。所以，發展綠色航運，綜合利用新能源，加強風能在船舶上的應用，對我國船舶的綠色發展具有十分重要的意義。

當前，海運已成為全球運輸的主要方式，其發展離不開船舶工業的進步，船舶中的電源裝置、配電裝置、電力網和負載組成的船舶電力系統是當下船舶系統的必備設備。在這樣的現狀下，船舶電站的設計方案在投入使用前就需要一系列的評估，而計算機仿真模擬就可以很好地解決船舶中電壓系統研究時所面臨的實際風險，是一種安全可靠的分析方法。因此，筆者以陸地電網為參考，考慮船舶上風能環境與電能利用的實際情況，用計算機仿真軟件設計了自動風力發電系統的模型，探討船舶電力系統中風力發電是否能夠穩定輸出的情況。

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

分析國內外高校與研究機構針對新能源混合利用系統的研究發現，優化配置及計算機仿真模擬的研究已經全面展開。本課題組就海上風力發電的特點建立風力發電機組模型，結合船舶在運行時的孤島特性，利用仿真軟件進一步探究風力發電系統與船上電網并行運行的可行性。

1 船舶風電系統

1.1 船舶電力系統的運行特點

船舶在海上航行時就像一座孤島，自身的各個系統都要自成體系，而電力系統需要有自行專用發電設備，在技術方面有以下基本要求：

(1)三相交流電源應具有結構簡單、穩定、經濟的特點，船舶系統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，在船舶電力系統中，對于無功功率問題，通常要求功率因數控制在0.64～0.70，交流變頻驅動時為0.80；

(3)穩定性要求較高，需要電壓和頻率都足夠穩定；

(4)動態響應快，電壓、頻率等調節系統的響應要迅速。

船舶的電力系統工作在大海上，相比于陸地來說，天氣變化莫測，環境更加嚴峻。惡劣的環境對電力設備的工作壽命和工作穩定性都是嚴重的威脅。船舶電力系統同樣要適應惡劣的海洋環境造成的影響，比如腐蝕、潮濕、變形等，這些因素都會引起發電機動力不足及提供的電能不穩定等問題。當船舶在航行中出現大幅度的擺動或者航行環境不穩定的時候，電力系統會受到碰撞或者振動，也會導致設備的接觸不良、誤動作甚至會損壞設備。因此，保證船舶用電的穩定性和可靠性顯得尤為重要。

1.2 風能特點分析

風速的不穩定可使風力發電機的輸出波動不穩定，不易于被負載直接利用。在風速很弱或者無風的時候，不足以推動風機轉動，無法產生電能，所以需要加入蓄電池，才能使它成為系統的第二個電源。由于風機產生的電能是不穩定的，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化為化學能，并儲存在蓄電池中。由于蓄電池產生的是直流電，而船舶自身電網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換為交流電再接入船舶電網。整個過程分別經歷了兩大轉換即：“電能→化學能→電能”以及“交流→直流→交流”的過程?，F階段離網型風力發電系統的基本結構如圖1所示。

圖1 離網型風力發電系統示意圖

船舶上的風機運行及供電，在不同風速作用下一般會出現4種能量傳輸模式：第一種情況，當風速到達風機額定功率所需要的風速時，風機啟動發電，經過整流、直流升壓、逆變電路直接向船舶系統輸送電力；第二種情況，當推動葉片的風速較大時，產生的電能在供給船舶系統的同時還要對風機進行剎車保護，防止葉片轉動過快導致風機損壞，同時利用蓄電池將多余的電能進行存儲，當蓄電池也進入飽和狀態時則將多余的能量通過泄能裝置進行釋放；第三種情況，當風速達到推動葉片使得風機發電的速度，但是還不到額定風速時，則通過蓄電池放電進行補償向船舶系統供電；第四種情況，當風速不足以推動風機葉片轉動時，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 風場的建模

由于風的隨機性和間歇性，需要分析風電裝置在接入船舶電力系統時所產生的影響，通過Simulink對風進行模擬建立風場模型。通常風速vW的模型由基本風vWB、陣風vWG、隨機風vWR、漸變風vWN4個模擬分量組成，即

vW=vWB+vWG+vWR+vWN。

(1)

1.3.1 基本風速模型

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

1.3.2 陣風風速模型

在一段時間內忽大忽小的風速被稱為陣風，它在該段時間內呈現余弦特性，在氣象中陣風通常又指瞬間極大風速。陣風風速模型的建立有利于分析風力發電系統對電網電壓波動產生的影響，考核系統在較大風的作用下的電壓波動特性。陣風符合公式：

(2)

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

1.3.3 隨機風風速模型

隨機風也稱為噪聲風，描述了風的隨機變化，隨機風存在于風機運行的整個過程中，用公式(3)來表達：

(3)

式中：vr為隨機風的波動幅值；ran(1，-1)為1到-1之間的隨機數；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變量。直接使用輸入隨機信號代替各項隨機變量。

1.3.4 漸變風風速模型

漸變風在3個時間段內保持線性變化，用式(4)來表達：

(4)

式中，vWNmax為漸變風最大值；ta、tb、tg分別為陣風的開始加強的時間和最大值持續時間以及加強結束的時間，仿真中tb、tg均取值為30。

1.3.5 自動風風速模型

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

圖3 自動風風速Simulink模型

圖4 自動風風速仿真波形

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

2 船舶風力發電系統模型建立與仿真分析

2.1 風力發電工作原理

風力發電是通過風的作用力將風機的葉片推動，葉片通過增速后帶動風機內部電機工作，是風能轉化為機械能再轉換為電能的過程。根據貝茨理論，風力機的功率受到空氣密度、風速、受風面積影響[1，9]，即：

(5)

(6)

式中,ρ是空氣密度，kg/m3；v是風速，m/s；A為風機捕獲風能面積；R為風輪半徑，m；ω為風力機機械角速度[9]，rad/s；Cp為風力機輸出功率系數(一般Cp為1/3～2/5,最大可達16/27)，它是槳葉尖速度與風速之比λ和槳葉節距角α的函數，當葉距角的值恒定時，風機輸出功率系數Cp只由葉尖速度與風速之比決定。

把每個風速所對應的最大功率點連接在一起，就形成了最佳功率曲線，風機最佳功率跟轉速的關系如下：

Pmax=kn3，

(7)

(8)

在圖5中，v1、v2、v3為不同的風速，且v1>v2>v3；n為風機的轉速，其中n1、n2、n3為不同的轉速點和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，就得在風速改變時及時地改變發電機的轉速。

圖5 不同風速下功率曲線及最佳功率曲線圖

風機只有以額定功率輸出，才能保證其所接入的電網能更好地利用風能。變速恒頻技術能確保風機時刻輸出額定功率。在低風速時，調節槳距角定漿距運行，來實現風能的最大捕獲，再通過電路反饋來控制風機的輸出功率達到額定輸出值；在高風速時，通過改變漿距，控制槳距角實現恒定功率輸出。

2.2 風力發電系統的Simulink建模

設計的小型風力發電系統[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)以及風力渦輪感應發電機等組成，如圖6所示。將圖3所示自動風速模型y保存在圖6中的工作區內，將風速模型輸入風力渦輪感應發電機模塊，風力電機開始運行，輸出結果的信號發送到Goto模塊，由Goto模塊轉到From模塊再到示波器輸出。

圖6 小型風力發電系統

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

圖7 故障仿真模型

2.3 建模結果分析

在風速為自動風的情況下，仿真波形輸出如圖8所示。工作區提取時間選取0 s可以近似為有風時風機開始工作，仿真時間取值為30 s。由圖8可知，在輸出電壓誤差較小時，無功功率參與調壓，因此這時Q基本為0。風力發電機轉動就會產生相對應的有功功率。由圖8可以看出，發電機的轉速波形與有功曲線基本一致。由于變槳系統的存在，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，在小波動的自動風速時，在誤差允許的情況下，輸出功率系數因數基本都在0.98以上，即相對穩定輸出。

圖8 風速波動時風電系統的輸出特性

考慮風速恒定時線路上的三相電源短路，對風機發電系統自身的故障處理仿真時間選取0.5 s，風速波形y選取時間為1，理解為系統運行一段時間才出現故障。由故障輸出波形圖9所示，可以發現以下情況：風速恒定13 m/s時，在故障模擬加入后，風機輸出波形出現明顯變化，由1直接變為0，有功功率與無功功率這時也輸出為零，進行保護調整時間達0.1 s，之后，經由小的波動，逐步恢復正常。

圖9 三相短路故障時風機的輸出波形

從以上仿真效果可以看出，風力發電系統分別在自動風與恒定風風速發生故障時輸出相對穩定的電流電壓，可以達到接入船舶電網使用的標準，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]有進出港工況、停泊工況、裝卸作業工況和航行工況，在不同工況下，船舶用電負荷差異較大，因此，為了更好地發揮風電的效能，蓄電池作為主要的調峰儲能設備必不可少。今后可考慮在仿真時加入作為儲能裝置的蓄電池模塊，進一步探究船舶微電網孤島運行的情況。

3 結語

面對航運綠色可持續發展的現狀，如何利用海上豐富的風能資源是一個重要課題。本課題組針對船舶上的自動風力發電系統進行了模擬探究，通過仿真驗證發現，風機發電的有功曲線與綜合風速變化趨勢基本一致，并網電壓輸出基本穩定，可見課題組建立的模型是有效的。這一研究結果可為后續船舶微電網中風電并網的控制策略調整提供仿真平臺，對海上航行的船舶采用風能作為電力推進能源的開發新途徑也具有借鑒意義。