CN100377478C

CN100377478C - 储能调相电机

Info

Publication number: CN100377478C
Application number: CNB2004100134619A
Authority: CN
Inventors: 潘垣; 程时杰; 于克训; 康勇; 文劲宇; 段献忠; 王少荣
Original assignee: Huazhong University of Science and Technology
Current assignee: Huazhong University of Science and Technology
Priority date: 2004-07-14
Filing date: 2004-07-14
Publication date: 2008-03-26
Anticipated expiration: 2024-07-14
Also published as: CN1595772A

Abstract

储能调相电机，属于发电机、电动机及变换器的技术领域，通过对同步调相机结构进行改进，增大转子转动惯量用以储存能量，其定子和转子均由三相对称绕组组成，转子绕组电流通过滑环馈入，定子绕组和电力系统相连；转子铁芯采用叠片式结构；转子转动惯量很大、或者装设转动惯量很大的飞轮，其值是同等容量常规同步调相机的2倍以上；电机转子的励磁电流为外加的可控三相交直流励磁电流。本发明构成的电力柔性调控装置具有储能、发电和调相功能，可使系统静态、暂态和电压稳定性都得到极大改善；本发明在设计、制造、安装、调试、运行、维护等方面可以借鉴目前广泛使用的同步调相机的经验，有利于在电力系统中得到快速、广泛应用。

Description

储能调相电机

技术领域

本发明属于发电机、电动机及变换器的技术领域，用于电力系统调控，可以快速高效地储存/释放能量，平衡系统受扰后出现的不平衡功率，增强电力系统的稳定性；该电机同时还可以快速提供无功补偿，稳定系统电压。

背景技术

电力系统是一个由发电、输电、配电和用电设备组成的统一整体，由于目前电力系统中没有大容量快速存取电能的设备，电能的生产和消费必须时刻保持在功率平衡状态，所有的发电机转子都必须以同样的电角速度同步旋转。一旦系统受到扰动(如设备故障)就会引发系统的功率失衡，可能对系统的稳定性构成威胁，严重的功率失衡会导致系统崩溃，如：发电机转子之间失去同步，系统电压急剧降低，甚至整个电网停电。

电力系统中的功率平衡包括有功功率平衡和无功功率平衡。这是因为电力系统的负载主要是感应电动机，它们在正常工作时既要从电网中吸收有功功率，又要吸收无功功率，其它的用电设备，如照明灯具等，也都呈现感性，因此，电网中既要输送有功功率，又要输送有无功功率。

有功功率只能由其它形式的能源(如：煤、水或核能等)转换而成，转换过程是由发电机完成的。发电机的有功输出大小可以通过调节汽门(汽轮机)或水门(水轮机)来完成，受现有发电设备固有特性的影响，有功功率的调控速度较慢，通常在秒级水平。

无功功率可以由发电机发出，也可以由容性电力设备(如电容器、静止无功补偿器SVC等)产生。发电机的无功输出大小可以通过调节励磁电流实现。为实现大范围的无功功率调控，现代电力系统中有一种称为同步调相机的装置，它实际上是一种不带有功负载的同步电动机，除供应电机本身的有功损耗外，这种电机并不从电网吸收其它的有功功率。但通过调节它的励磁电流，就能按需要吸收或者发出无功电能。同步调相机的调节速度很快，通常在毫秒级水平。但现有的同步调相机只能进行无功功率的调控，对有功功率的调控无能为力。

目前已提出超导磁储能等储能方法，超导磁储能装置利用超导体的零电阻特性工作，配以恰当的外围控制设备，虽然也可以具有有功电能快速存取的功能，但它对工作环境有苛刻的要求，装置的造价和维护费用都非常高，目前还无法大规模应用。电物理实验装置用的脉冲发电机组，虽然具有飞轮储能，但由于其结构和接线方式，仅用作实验装置的脉冲电源，功能单一，无法完成所需完成的功能。

交流励磁技术在抽水蓄能发电机、风力发电机等电机中应用普遍。在抽水蓄能发电机上，交流励磁技术保证该电机可以发电/电动两用；在风力发电机上，交流励磁技术保证在风力变化而导致转子非同步旋转时，电机能够发出同步频率的电能。但是，这些电机都不具备在电网动态过程中吸收或提供有功功率以平息功率振荡的功能。

可见，目前电力系统中的无功功率调控装置多，调节速度快；有功功率调控装置少，调节速度慢。为从本质上提高电力系统运行的稳定性，快速高效的有功功率调控装置是必不可少的设备，而目前电力系统还没有这样的设备。本发明正是在这样的背景下提出的。

发明内容

本发明提供一种储能调相电机，通过对现有的电力系统同步调相机结构进行改进，增大转子的转动惯量用以储存电能，使用时，采用可控交直流励磁技术和微机监控技术，使电机的电能能够快速高效地储存和释放，即可构成一种具有储能、发电和调相等多种功能的电力柔性调控装置。

本发明的一种储能调相电机，定子和转子均由三相对称绕组组成，磁路和电路均各自对称，定转子间具有均匀的气隙，转子绕组电流通过安装在转子上的滑环馈入，定子绕组和电力系统相连；其特征是：电机转子铁芯采用叠片式结构；

转子转动惯量很大、或者装设转动惯量很大的飞轮，转子转动惯量或者装设飞轮后的转子和飞轮的转动惯量之和是电力系统同等容量同步调相电机的2倍以上，因此在旋转时具有很高的惯性储能；

电机转子的励磁电流为外加的可控三相交直流励磁电流，励磁电流的幅值、频率和相序都可以根据调相和储能的要求进行调节，在直流励磁时，电机工作在同步调相状态，在交流励磁时，使电机的转子运行在非同步旋转状态，定子磁势和转子合成磁势仍能保持空间相对静止，从而根据运行需要实现机械能和电能的转换和有功功率的调节。

所述的储能调相电机，其进一步特征为其采用立式结构，在电机转子飞轮下表面和位于飞轮下方的支撑盘的上表面上，可分别装设极性相同的永磁体，以产生相互排斥的磁力；在飞轮上表面与飞轮上方的盖板上加装极性相反的永磁体，以产生使飞轮向上的提升力。

所述的储能调相电机，转子的飞轮部分可以做成封闭结构，在转子飞轮和位于飞轮下方的支撑盘的上表面之间，可以加装对飞轮起辅助支撑作用的滚动支撑体；转子转轴上可以装有永磁体构成的非接触式导向轴承；转子转轴的一端配置有辅助该电机起动的小型电动机。

本发明所构成的电力柔性调控装置，由储能调相电机和励磁系统组成，励磁系统包括励磁电源和微机励磁控制系统。

电力柔性调控装置的有功功率调控功能的实现主要依靠储能调相电机转子快速高效可控的储能能力。其基本原理是：储能调相电机工作时，其高速旋转的转子实际上就是一个机械储能系统，设电机转子的转动惯量为J，机械角速度为ω，则转子中储存的能量为改变其转速就可以改变储能的大小。

储能调相电机的励磁电源为与电网并联的全控双脉冲宽度调制(Pulse Width Modulation，PWM)变换器型交直交变频电源，两个变换器均采用矢量控制，在微机励磁控制系统的控制下，提供所需幅值、频率和相序的励磁电流。

微机励磁控制系统是电力柔性调控装置的神经中枢，它主要对电力柔性调控装置进行监视和控制，根据电力系统运行的需要，实现对电网有功功率和无功功率的快速高效可靠地调控。

电力柔性调控装置并网运行时，储能调相电机定子侧与频率为f₁的电网相连，定子三相绕组电流形成相对定子以同步转速n₁旋转的磁势F₁ ^&，旋转磁场的角频率为ω₁。若转子的转速为n_r，角频率为ω_r；同时在转子三相绕组中注入频率为f₂的三相对称电流，它将产生相对于转子转速为n₂的合成旋转磁势F₂ ^&，形成相对于转子角频率为ω₂的旋转磁场。

根据交流电机工作原理，转子磁势F₂ ^&与定子磁势F₁ ^&在空间必须保持相对静止，才能实现机电能量转换。转子磁势F₂ ^&相对于定子的电角频率为ω₂+ω_r，因此，电网的电角频率、转子旋转的电角频率和转子交流励磁合成旋转磁势电角频率之间必须满足如下关系：ω_r＝ω₁-ω₂。可见，改变励磁电流的频率，就可以改变柔性电机转子的转速，实现转子机械能与电能之间相互转换的目的。

因此，由本发明构成的电力柔性调控装置不但具有调控无功功率的能力，而且还能以机械能与电能相互转换的方式，快速高效地平衡系统中出现的不平衡有功功率。当电力系统出现扰动时，就可以从有功功率和无功功率两方面同时进行调控，系统运行的稳定性将得到极大的提高。

本发明构成的电力柔性调控装置综合具有储能、发电和调相的功能，可以使系统的静态稳定性、暂态稳定性和电压稳定性都得到极大的改善；而且，本发明在设计、制造、安装、调试、运行、维护等方面可以借鉴目前广泛使用的同步调相机的经验，有利于在电力系统中得到快速、广泛应用。

附图说明

图1为一种立式结构储能调相电机示意图；

图2为另一种立式结构储能调相电机示意图；

图3所示为本发明构成的电力柔性调控装置总体结构示意图。

具体实施方式

储能调相电机根据具体需要可以采用立式或卧式结构，一般多采用立式结构。图1是一种立式结构的50MVA储能调相电机实施状态示意图。电机定子铁心和三相绕组3固定在防护罩11内，转子铁心和三相绕组4通过转子支架5与转轴14固定连接，转轴由上导轴承1和下导轴承15支撑，上导轴承1和下导轴承15可为接触式常规轴承、也可为非接触式永磁体导向轴承；转轴14上端连接滑环及电刷装置2以通入励磁电流；转轴14下段装设转动惯量很大的飞轮6，转动惯量值为同等容量调相机转动惯量的8倍；转轴14下底端装设推力轴承7；飞轮部分通过密封圈12和密封盖板13形成的密封结构密封；在飞轮6下表面和支撑面上，分别装设若干极性相同的永磁体8和9，以产生相互排斥的磁力，排斥力为40吨/平方米；在飞轮上表面与盖板上也可以加装极性相反的永磁体16和永磁体17，以产生使飞轮向上的提升力，提升力为40吨/平方米；在飞轮和支撑面之间，可以加装对转动体起辅助支撑作用的滚动支撑体10；电机转轴上还可以配置有辅助该电机起动的小型电动机，也可以是空载的，即转轴上没有相连接的其它机械；电机转子的励磁电流为外加的可控三相交直流励磁电流。

图2是另一种立式结构的10MVA储能调相电机实施状态示意图，其中转动惯量很大的转子本体18装设于转子支架5上，转动惯量值为同等容量调相机转动惯量的4倍；在转子本体18下表面和支撑面上，分别装设若干极性相同的永磁体8和9，以产生相互排斥的磁力，排斥力为40吨/平方米；无需另外的密封结构，亦可省去下导轴承。

图3所示为本发明构成的电力柔性调控装置总体结构示意图：

励磁电源采用功率可双向流动的PWM整流一PWM逆变形式的全控双PWM变频器，它的一端与储能调相电机定子三相绕组(电网)并联，另一端接储能调相电机转子三相励磁绕组，如图3所示。电网侧PWM变换器采用电网电压矢量定向控制技术，在获得有功功率和无功功率独立控制的同时，保证了网侧电流的正弦性。转子侧PWM变换器采用定子磁场定向控制技术，在转速大范围变化的运行条件下，可获得定子侧有功功率和无功功率的解耦控制。因此，励磁电源在微机励磁控制系统的控制下，根据电力系统运行需要，可以快速发出或者吸收有功功率和无功功率，响应时间可以控制在毫秒级。

转子侧PWM变换器控制所需要的检测量包括定子电压、定子电流、转子电流以及转子位置角，控制过程如下：由检测到的定子电压和电流，通过坐标变换，在两相静止坐标系中，由电压模型计算出定子磁链幅值和定子磁通角，并和检测到的转子空间位置角用于控制系统进行坐标变换。定子有功功率指令和无功功率指令与由检测到的定子电压和定子电流通过坐标变换后计算得出的实际有功功率和无功功率反馈值进行PI调节得到转子电流qd轴电流指令，再与由检测到的转子电流通过坐标变换后得到的反馈值进行PI调节，并考虑实际系统中电机dq轴电流所产生的交叉耦合电压的影响，采用一定的解耦合控制，最终得到转子的dq轴指令电压，并经过坐标变换得到转子三相参考电压作为转子侧PWM变换器的控制指令，从而控制转子交直流励磁电流。

电网侧PWM变换器实质是一个三相电压源型PWM高频整流器，可工作在整流和回馈两种工况。电网侧PWM控制所需的检测量包括网侧输入电流，电网电压以及直流母线电压。由于电网侧PWM变换器的控制比较成熟，其具体的调节过程不再详细说明。微机励磁控制系统采用分层的控制方式，分成上层、中层和底层控制。

上层控制主要采集电网的信息，进行系统稳定性的计算以确定系统当前运行状态；或者接受上级调度的指令，执行相应的操作。上层控制的另一主要功能是对整个电力柔性调控装置进行监视，确保装置运行在正常的工作状态。上层控制器可采用功能强大的工业控制微机进行设计。

中层控制主要根据采集到的储能调相电机定子和转子的电压电流信号以及转子的位置和速度信息，按照选定的控制策略，结合上层控制器的控制指令，计算出储能调相电机所需输出的有功功率和无功功率。中层控制器可采用高性能的数字信号处理器DSP为CPU进行设计。

底层控制根据中层控制提供的有功功率和无功功率定值，实施上述的定子侧和转子侧的PWM变换器的定向矢量控制，使储能调相电机输出指定的有功功率和无功功率。底层控制器可采用电机控制专用DSP芯片为CPU进行设计。

正确的控制策略是电力柔性调控装置高效运行的保证。在励磁系统的控制下，储能调相电机有三种主要运行方式，即：调相运行方式、储能运行方式和发电运行方式。

当电力系统处于无扰动的稳态运行工况时，储能调相电机应处于调相运行方式，此时它相当于一台同步调相机，可以向系统输出或从系统吸收无功功率，转子以同步速度或异步速度旋转，设电机转子的转动惯量为J，机械角速度为ω，则转子中储存了大小为

的机械能。

如果系统发生扰动，电网的频率将发生变化，储能调相电机与电网连接点处的有功功率和无功功率将发生振荡，如果这种振荡得不到有效的控制，系统最终有可能失去稳定。为了尽快平息这种振荡，使系统尽快进入新的稳定状态，应使储能调相电机进入储能运行方式或发电运行方式，具体如下：

(a)如果电网有功功率过剩，则调节励磁电流，使转子合成磁势滞后于定子磁势一个合适的角度，储能调相电机将从系统中吸收有功功率，转子将加速，从而将过剩的有功功率转换成转子的机械能。

(b)如果电网有功功率缺乏，则调节励磁电流，使转子合成磁势超前于定子磁势一个合适的角度，储能调相电机将向系统输出有功功率，转子将减速，从而将转子的机械能转换成电能。

需要指出的是，当储能调相电机运行于储能方式或发电方式时，可以同时进行调相控制。

Claims

1.一种储能调相电机，定子和转子均由三相对称绕组组成，磁路和电路均各自对称，定转子间具有均匀的气隙，转子绕组电流通过安装在转子上的滑环馈入，定子绕组和电力系统相连；其特征是：

电机转子铁芯采用叠片式结构；

2.如权利要求1所述的储能调相电机，其特征为其采用立式结构，在电机转子飞轮下表面和位于飞轮下方的支撑盘的上表面上，分别装设极性相同的永磁体，以产生相互排斥的磁力；在飞轮上表面与飞轮上方的盖板上加装极性相反的永磁体，以产生使飞轮向上的提升力。

3.如权利要求1或2所述的储能调相电机，转子的飞轮部分为封闭结构，在转子飞轮和位于飞轮下方的支撑盘的上表面之间，加装对飞轮起辅助支撑作用的滚动支撑体；转子转轴上装有永磁体构成的非接触式导向轴承；转子转轴的一端配置有辅助该电机起动的小型电动机。