CN112003332A - 一种惯量可扩展的调相机飞轮系统及使用方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种惯量可扩展的调相机飞轮系统及使用方法，属于电机与电器技术领域。本发明系统，包括：调相机，所述调相机连接中频发电机，通过所述调相机运行带动中频发电机同步运行；中频发电机，所述中频发电机通过所述调相机的带动运行，产生三相交流电；飞轮电机及飞轮，所述飞轮电机通过所述中频发电机产生的三相交流电，驱动飞轮电机运行，通过飞轮电机的运行带动飞轮运行。本发明使用中频发电机代替高速变速器，以电气耦合取代机械连接实现飞轮转速的提升，所用技术成熟，传递效率和运行可靠性极高，且运行维护非常方便，非常适合工程应用。

Description

一种惯量可扩展的调相机飞轮系统及使用方法
技术领域
本发明涉及电机与电器技术领域，并且更具体地，涉及一种惯量可扩展的调相机飞轮系统及使用方法。
背景技术
随着新能源在电网中渗透率的提高、高压直流输电技术以及微电网的发展，电力系统电力电子化趋势日益加重，电网同步特征不断退化。电力系统的电压支撑和惯量支撑能力持续减弱，严重威胁电力系统的安全稳定运行。
目前新能源场站的主要不足在于无功瞬时支撑和调节能力不足，等效转动惯量较小，无法抵御电网大规模的有功、无功冲击；而在负荷中心地区，大规模的直流馈入和分布式能源的蓬勃发展的使本地常规机组的数量日渐减少，系统的动态无功储备和转动惯量下降，由此导致系统暂态稳定和电压稳定风险加剧。研究表明，利用小型分布式调相机对新能源厂站、分布式能源等地区进行就地无功支撑，可有效提高新能源机组高低电压穿越能力，改善电压稳定水平，因此有望成为未来主要的动态无功补偿方案。然而，由于调相机转动惯量只有同容量发电机组的30％～50％，且配套容量通常小于新能源场站或分布式能源额定出力的25％，因此调相机对系统的惯性支撑能力相对匮乏，因此，如何通过合理的方案设计同时解决新能源场站和负荷中心地区的电压和惯量支撑问题，更好地平抑电网严重故障时的有功、无功冲击，是电网发展面临的必要且迫切的任务。
发明内容
针对上述问题，本发明提出了一种惯量可扩展的调相机飞轮系统，包括：
调相机，所述调相机连接中频发电机，通过所述调相机运行带动中频发电机同步运行；
中频发电机，所述中频发电机通过所述调相机的带动运行，产生三相交流电；
飞轮电机及飞轮，所述飞轮电机通过所述中频发电机产生的三相交流电，驱动飞轮电机运行，通过飞轮电机的运行带动飞轮运行。
可选的，系统通过调相机接入目标电网。
可选的，飞轮电机及飞轮置于真空环境中使用。
可选的，调相机与中频发电机同轴机械连接，飞轮电机及飞轮采用磁悬浮轴承连接。
可选的，中频发电机与飞轮电机采用电气耦合连接。
可选的，调相机正常运行时，作为空载电机吸收所述系统预设量的有功功率，当所述系统频率因有功功率缺额下降时，所述调相机通过惯性减少吸收有功功率或作为发电机运行发出有功功率，补偿所述系统的有功功率缺额。
可选的，系统启动过程中，包括：通过SFC启动调相机，由调相机带动所述系统启动，或通过SFC启动中频发电机带动所述系统启动。
可选的，通过SFC启动调相机后的系统退出后不可重新投入。
可选的，中频发电机极对数为调相机极对数的N倍，所述N大于0。
本发明还提出了一种惯量可扩展的调相机飞轮系统的使用方法，包括：
通过SFC启动调相机，由调相机带动所述系统启动，或通过SFC启动中频发电机带动所述系统启动；
通过所述调相机运行带动中频发电机同步运行；
通过所述中频发电机产生的三相交流电，驱动飞轮电机运行，通过飞轮电机的运行带动飞轮运行；
调相机正常运行时，作为空载电机吸收所述系统预设量的有功功率，当所述系统频率因有功功率缺额下降时，所述调相机通过惯性减少吸收有功功率或作为发电机运行发出有功功率，补偿所述系统的有功功率缺额。
本发明使用中频发电机代替高速变速器，以电气耦合取代机械连接实现飞轮转速的提升，所用技术成熟，传递效率和运行可靠性极高，且运行维护非常方便，非常适合工程应用。
附图说明
图1为本发明一种惯量可扩展的调相机飞轮系统结构图；
图2为本发明一种惯量可扩展的调相机飞轮系统第一种启动方式电气原理图；
图3为本发明一种惯量可扩展的调相机飞轮系统第二种启动方式电气原理图；
图4为本发明一种惯量可扩展的调相机飞轮系统的使用方法流程图。
具体实施方式
现在参考附图介绍本发明的示例性实施方式，然而，本发明可以用许多不同的形式来实施，并且不局限于此处描述的实施例，提供这些实施例是为了详尽地且完全地公开本发明，并且向所属技术领域的技术人员充分传达本发明的范围。对于表示在附图中的示例性实施方式中的术语并不是对本发明的限定。在附图中，相同的单元/元件使用相同的附图标记。
除非另有说明，此处使用的术语(包括科技术语)对所属技术领域的技术人员具有通常的理解含义。另外，可以理解的是，以通常使用的词典限定的术语，应当被理解为与其相关领域的语境具有一致的含义，而不应该被理解为理想化的或过于正式的意义。
电力系统中，衡量机组惯性支撑能力的一个重要指标是机组的惯性时间常数，Tj与机组转动惯量J、转速ω、机组视在功率Sn之间的关系如(1)所示。
Figure BDA0002585552640000041
对于质量均匀分布的圆柱形飞轮，其转动惯量J＝(mR2)/2，将其代入(1)可得：
Figure BDA0002585552640000042
式(2)中m表示飞轮质量，Vm表示飞轮外沿的线速度。
由(2)可知，增加飞轮质量或增大飞轮外沿线速度是提升机组惯性时间常数的两个有效途径。本发明专利通过提高飞轮外沿线速度的方式来增大机组的惯性时间常数，其优点在于可以大幅降低配套飞轮的质量；比如，若飞轮转速外沿线速度提高4倍，则飞轮质量只需调相机转子质量的十六分之一即可使系统的惯性时间常数增加1倍。
由Vm＝ωR可知，增加飞轮半径和飞轮角速度的均可提高飞轮外沿线速度，事实上受材料拉伸强度的限制，不同材料的飞轮其外沿线速度都有一个相应的极限值。如果飞轮与调相机同步旋转同轴连接，则需要大幅增加飞轮半径，整个飞轮系统的体积会比较庞大，单位能量密度不高。适当增加飞轮半径并大幅提升飞轮转速则可使整个飞轮系统的布局更为紧凑，能量密度更高。然而目前大容量的高速变速器传递效率及长期连续运行的可靠性方面都不够理想，且运行维护比较复杂，因此工程应用价值欠佳。
本发明提出了一种惯量可扩展的调相机飞轮系统，如图1所示，包括：
调相机，所述调相机连接中频发电机，通过所述调相机运行带动中频发电机同步运行；
中频发电机，所述中频发电机通过所述调相机的带动运行，产生三相交流电；
飞轮电机及飞轮，所述飞轮电机通过所述中频发电机产生的三相交流电，驱动飞轮电机运行，通过飞轮电机的运行带动飞轮运行。
系统通过调相机接入目标电网。
飞轮电机及飞轮置于真空环境中使用。
调相机与中频发电机同轴机械连接，飞轮电机及飞轮采用磁悬浮轴承连接。
中频发电机与飞轮电机采用电气耦合连接。
调相机正常运行时，作为空载电机吸收所述系统预设量的有功功率，当所述系统频率因有功功率缺额下降时，所述调相机通过惯性减少吸收有功功率或作为发电机运行发出有功功率，补偿所述系统的有功功率缺额。
系统启动过程中，包括：通过SFC启动调相机，由调相机带动所述系统启动，或通过SFC启动中频发电机带动所述系统启动。
通过SFC启动调相机后的系统退出后不可重新投入。
中频发电机极对数为调相机极对数的N倍，所述N大于0。
下面结合实施例对本发明进行进一步说明：
如图1所示，调相机与中频发电机同轴旋转，其中中频发电机极对数约为调相机的数倍，若中频发电机发出150～200Hz的三相交流电，则由其驱动的飞轮系统(飞轮电机+飞轮)转速可达9000～12000rpm，为减小鼓风和机械摩擦损耗，飞轮系统置于真空环境中，并采用磁悬浮轴承。
采用中频发电机代替了机械变速器，将调相机与飞轮之间的机械连接改为电气耦合，同时飞轮系统可以进行独立的模块化设计，并根据系统的实际需要进行扩展。
本发明系统向电网提供惯性支撑的具体过程如下：调相机正常时作为空载电动机从系统吸收少量有功功率，此时调相机内合成磁场超前励磁磁场，系统电压相量超前励磁感应电动势相量，功角略大于零，当系统频率因功率缺额而下降时，系统电压相量的电角速度变慢，由于调相机的惯性，励磁感应电动势滞后于系统电压的相角会减小甚至变为超前系统电压，此时调相机向系统吸收的有功功率减小甚至变为发电机运行模式向系统发出一定的功率，此过程中，调相机因驱动转矩减小而发生减速，相当于自身机械能释放转变为电能部分补偿了系统的有功缺额。
与此同时，由于调相机转速降低，同轴旋转的中频发电机供电频率降低，此时飞轮电机的响应特性与调相机完全一致，即通过降低自身转速，将自身的部分机械能转变为电能并经中频发电机-调相机回馈至电网，从而补偿系统的有功缺额，有利于系统频率的恢复，系统频率升高时，调相机-飞轮系统的响应与上述过程相反。
本发明系统启动可通过两种方式实现：
如图2所示，通过SFC启动调相机，带动中频发电机同步升速，中频发电机发出三相交流电直接驱动飞轮电机启动，启动过程中通过调整中频发电机的励磁电流控制飞轮电机的启动电流，待调相机转速升至额定转速以上后，SFC断电，调相机在惰转过程中完成升压、并网，整个系统完成启动。
上述方式下整个调相机飞轮系统同时启动，启动时间较长，所需SFC容量也较大，启动并网时调相机励磁系统需要进行切换，启动控制比较复杂，运行过程中飞轮系统退出后不可重新投入。
如图3所示，利用SFC启动中频发电机，由中频发电机带动调相机启动，暂不启动系统，待调相机并网后在根据电网需要由变频器启动飞轮系统，中频发电机和飞轮电机可以公用一套SFC，优点在于启动期间所带系统较少，启动时间短，所需变频器容量较小，系统可以根据系统需要随时在线投退。
本发明系统的设计可以利用现有的成熟技术进行模块化设计，且可以根据系统的实际需要扩展成飞轮阵列。
以50Mvar小型分布式调相机为例，其转动惯量Tj约为4.74s，约为常规发电机组的一半，若调相机与光伏场站配套使用，按照目前无功补偿率25％计算，则整个光伏场站的等效惯性时间常数约为1.19s，相当于常规发电机惯性时间常数的1/8。随着新能源占比的不断提升，系统转动惯量的缺失会愈发严重，为了将新能源场站的惯性支撑水平提升至常规机组1/3～1/2的水平，则调相机-飞轮系统的惯性时间常数需要提升至12.64s～18.96s。由式(1)可知，飞轮系统储能需要达到ΔTj*Sn/2，约54.85～98.73kW.h，根据目前国内飞轮储能系统的设计制造水平并考虑经济型，利用2-3组飞轮组成飞轮阵列满足上述要求，由于并不作为储能系统试验，系统只需要飞轮电机和飞轮转子即可，并不需要配套的变流器及其控制系统。
各设备基本参数如下：
调相机参数如表1所示：
表1
额定容量 Mvar 50
额定定子电压 kV 10.5
额定定子电流 A 2749.3
额定转速 r/min 3000
额定频率 Hz 50
额定励磁电压 V 240
额定励磁电流 A 775
额定空载励磁电压 V 107
额定空载励磁电流 A 369.4
惯性时间常数Tj s 4.742
中频发电机参数如表2所示：
表2
额定容量 Mvar 10
额定功率 MW 8.5
额定定子电压 kV 6.3
额定定子电流 A 916.4
额定转速 r/min 9000
额定频率 Hz 150
惯性时间常数Tj s 2.742
飞轮电机参数如表3所示：
表3
Figure BDA0002585552640000071
Figure BDA0002585552640000081
调相机采用自并励励磁方式，通过升压变接入电网，中频发电机为2～4对极的发电机，发出频率为100～200Hz的交流电向飞轮电机供电，其励磁采用他励静止励磁方式。飞轮电机采用永磁同步电机，带动飞轮转子。为尽可能增加飞轮外沿线速度以提升飞轮的能量密度，飞轮转子采用碳纤维材料包裹，其外沿线速度限值可达600m/s(实心发电机转子外沿最大线速度只有220m/s)。
调相机-飞轮系统启动时，断开所有飞轮电机出口至变频器和中频发电机出口的开关，合上SFC至中频发电机开关和中频发电机出口开关，SFC带动调相机和中频发电机升速，待升至额定转速附近时，调相机起励并升至额定电压，经自动准同期并网。
断开SFC至中频发电机开关，根据系统需要依次投入一组或多组飞轮组件，启动飞轮时，保持飞轮电机出口至中频发电机的开关在断开位置，合上SFC至飞轮系统的出口开关，合上飞轮电机出口至变频器的开关，利用SFC将飞轮升至额定转速附近，调整中频发电机励磁系统使其出口电压与飞轮电机出口电压相等，断开飞轮电机至SFC出口开关，利用同期切换装置合上飞轮电机至中频发电机的出口开关。
本发明还提出了一种惯量可扩展的调相机飞轮系统的使用方法，如图4所示，包括：
通过SFC启动调相机，由调相机带动所述系统启动，或通过SFC启动中频发电机带动所述系统启动；
通过所述调相机运行带动中频发电机同步运行；
通过所述中频发电机产生的三相交流电，驱动飞轮电机运行，通过飞轮电机的运行带动飞轮运行；
调相机正常运行时，作为空载电机吸收所述系统预设量的有功功率，当所述系统频率因有功功率缺额下降时，所述调相机通过惯性减少吸收有功功率或作为发电机运行发出有功功率，补偿所述系统的有功功率缺额。
本发明使用中频发电机代替高速变速器，以电气耦合取代机械连接实现飞轮转速的提升，所用技术成熟，传递效率和运行可靠性极高，且运行维护非常方便，非常适合工程应用。
本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。本申请实施例中的方案可以采用各种计算机语言实现，例如，面向对象的程序设计语言Java和直译式脚本语言JavaScript等。
本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
尽管已描述了本申请的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本申请范围的所有变更和修改。
显然，本领域的技术人员可以对本申请进行各种改动和变型而不脱离本申请的精神和范围。这样，倘若本申请的这些修改和变型属于本申请权利要求及其等同技术的范围之内，则本申请也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (10)

1.一种惯量可扩展的调相机飞轮系统，所述系统包括：
调相机，所述调相机连接中频发电机，通过所述调相机运行带动中频发电机同步运行；
中频发电机，所述中频发电机通过所述调相机的带动运行，产生三相交流电；
飞轮电机及飞轮，所述飞轮电机通过所述中频发电机产生的三相交流电，驱动飞轮电机运行，通过飞轮电机的运行带动飞轮运行。
2.根据权利要求1所述的系统，所述飞轮系统通过调相机接入目标电网。
3.根据权利要求1所述的系统，所述飞轮电机及飞轮置于真空环境中使用。
4.根据权利要求1所述的系统，所述调相机与中频发电机同轴机械连接，飞轮电机及飞轮采用磁悬浮轴承连接。
5.根据权利要求1所述的系统，所述中频发电机与飞轮电机采用电气耦合连接。
6.根据权利要求1所述的系统，所述调相机正常运行时，作为空载电机吸收所述系统预设量的有功功率，当所述系统频率因有功功率缺额下降时，所述调相机通过惯性减少吸收有功功率或作为发电机运行发出有功功率，补偿所述系统的有功功率缺额。
7.根据权利要求1所述的系统，所述系统启动过程中，包括：通过SFC启动调相机，由调相机带动所述系统启动，或通过SFC启动中频发电机带动所述系统启动。
8.根据权利要求7所述的系统，所述通过SFC启动调相机后的系统退出后不可重新投入。
9.根据权利要求1所述的系统，所述中频发电机极对数为调相机极对数的N倍，所述N大于0。
10.一种惯量可扩展的调相机飞轮系统的使用方法，所述方法包括：
通过SFC启动调相机，由调相机带动所述系统启动，或通过SFC启动中频发电机带动所述系统启动；
通过所述调相机运行带动中频发电机同步运行；
通过所述中频发电机产生的三相交流电，驱动飞轮电机运行，通过飞轮电机的运行带动飞轮运行；
调相机正常运行时，作为空载电机吸收所述系统预设量的有功功率，当所述系统频率因有功功率缺额下降时，所述调相机通过惯性减少吸收有功功率或作为发电机运行发出有功功率，补偿所述系统的有功功率缺额。
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