CN112952873B - 一种基于磁齿轮耦合的同步调相机储能方法 - Google Patents

一种基于磁齿轮耦合的同步调相机储能方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于磁齿轮耦合的同步调相机储能方法，属于电机及电器技术领域。本发明方法，包括：使用磁齿轮将调相机和飞轮装置进行电气耦合连接；设置磁齿轮的调磁铁块的个数与内层转子个数的比，等于飞轮装置的转速与调相机的转速比；使磁齿轮连接三相交流变流器，使变流器承担的调频功率与飞轮装置的调速范围成正比关系；通过调节飞轮装置的转速，控制同步调相机的储能。本发明兼具传统同步调相机和飞轮储能两者的优点，除了大幅提升调相机固有惯量支撑能力外，还使调相机具备了一次调频能力，本发明通过磁齿轮成倍提升了飞轮转速，可以配置较小的飞轮实现调相机惯性时间常数的大幅提升。

Description

一种基于磁齿轮耦合的同步调相机储能方法
技术领域
本发明涉及电机及电器技术领域，并且更具体地，涉及一种基于磁齿轮耦合的同步调相机储能方法。
背景技术
随着国家能源战略的推进，十四五期间每年新能源装机将突破1亿千瓦，新能源比例的大幅提高时电力系统电力电子化趋势日益加重，电力系统的电压支撑、惯量支撑和调频能力持续减弱，严重威胁电力系统的安全稳定运行。为此，2019年发布的GB 38755《电力系统安全稳定导则》要求新能源场站应向系统提供一定的短路容量和惯量支撑；同时要求新能源场站应提高调节能力，必要时应配置燃气电站、抽水蓄能电站、储能电站等调节资源及调相机、静止同步补偿器、静止无功补偿器等动态无功调节设备。
根据以往研究成果和国标要求，利用小型分布式调相机对新能源地区进行就地无功补偿和惯量支撑可望较好地解决新能源消纳和提升电网稳定水平问题，是当前主要技术方案之一。目前新型分布式调相机可以向系统提供4-5倍自身额定容量的短路容量，不过其转动惯量只有同容量发电机组的30％～50％，考虑到调相机容量通常只有配套新能源场站或分布式能源额定容量的25％，因此调相机对系统的惯性支撑能力相对匮乏。
此外，随着GB 38755的发布，新能源场站一次调频也将面临更加严格的考核，新能源场站预留备用容量或增加储能设备参与一次调频可能是未来主要的技术方向。然而，预留备用容量无疑会降低新能源的有效利用小时数，经济效益不佳。目前适合于新能源场站的储能主要有电储能和机械储能两类，飞轮机械储能使用寿命很长，适合于需要频繁调节的场合，但储能容量通常较小；电储能容量较大，但频繁充放电会严重影响使用寿命；因此机械储能+电储能的方式更符合新能源一次调频的技术方向。
传统调相机除了对新能源场站的惯量支撑能力有所欠缺外，更是无法提供一次调频的支持。
发明内容
针对上述问题，本发明提出了一种基于磁齿轮耦合的同步调相机储能方法，包括：
使用磁齿轮将调相机和飞轮装置进行电气耦合连接；
设置磁齿轮的调磁铁块的个数与内层转子个数的比，等于飞轮装置的转速与调相机的转速比；
使磁齿轮连接三相交流变流器，使变流器承担的调频功率与飞轮装置的调速范围成正比关系；
通过调节飞轮装置的转速，控制同步调相机的储能。
可选的，磁齿轮为无级变速磁齿轮或可变速柔性齿轮。
可选的，飞轮装置置于真空箱体中。
可选的，调相机与飞轮装置还可以通过磁齿轮进行机械连接。
可选的，调相机与磁齿轮间，磁齿轮与飞轮装置之间使用轴连器连接。
可选的，调节飞轮装置的转速，包括：调节飞轮装置转速高于额定转速且处于升速阶段，调节飞轮装置转速高于额定转速且处于降速阶段，调节飞轮转速低于额定转速且处于降速阶段和调节飞轮转速低于额定转速且处于升速阶段。
本发明兼具传统同步调相机和飞轮储能两者的优点，除了大幅提升调相机固有惯量支撑能力外，还使调相机具备了一次调频能力，本发明通过磁齿轮成倍提升了飞轮转速，可以配置较小的飞轮实现调相机惯性时间常数的大幅提升，本发明可通过无级变速磁齿轮对飞轮转速进行快速调节，实现飞轮储能和一次调频快速响应，本发明与以往全容量变频调速的储能调相机或储能飞轮相比，本发明中由同步调相机从电网吸收或反馈大部分调频功率，可以用较小的变流器获得相同的调频效果。
附图说明
图1为本发明方法的流程图；
图2为本发明方法的原理图。
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。
本发明提出了本发明提出了一种基于磁齿轮耦合的同步调相机储能方法，如图1所示，包括：
使用磁齿轮将调相机和飞轮装置进行电气耦合连接；
设置磁齿轮的调磁铁块的个数与内层转子个数的比，等于飞轮装置的转速与调相机的转速比；
使磁齿轮连接三相交流变流器，使变流器承担的调频功率与飞轮装置的调速范围成正比关系；
通过调节飞轮装置的转速，控制同步调相机的储能。
其中，磁齿轮为无级变速磁齿轮或可变速柔性磁齿轮，如液力耦合器等。
其中，飞轮装置置于真空箱体中。
其中，调相机与飞轮装置还可以通过磁齿轮进行机械连接。
其中，调相机与磁齿轮间，磁齿轮与飞轮装置之间使用轴连器连接。
其中，调节飞轮装置的转速，包括：调节飞轮装置转速高于额定转速且处于升速阶段，调节飞轮装置转速高于额定转速且处于降速阶段，调节飞轮转速低于额定转速且处于降速阶段和调节飞轮转速低于额定转速且处于升速阶段。
本发明主要利用同步调相机、可变速调节的磁齿轮、飞轮装置实现，其中磁齿轮外环磁极为定子，其磁极为电励磁，并由变流器供电。
磁齿轮的内环转子的磁极为永磁体，其与调磁磁环为旋转部件，分别与飞轮和调相机相连，为减小鼓风摩擦损耗，飞轮置于真空的箱体内，如如图2所示，图2中，最左侧为调相机，中间为可变速磁齿轮，最右侧为飞轮装置；调相机与磁齿轮的调磁磁环连接，飞轮与磁齿轮内转子连接，磁齿轮的外环为定子铁芯和绕组，其中1为磁齿轮外壳，2为外环定子绕组，3为飞轮装置外壳，4为飞轮，5为调磁磁环，6为内转子磁极，7为调相机侧轴承，8为内环磁极轴承，9为飞轮轴承，10为磁环右侧的挡板，11为变流器，图2中A、B、C表示三相交流电，假设调磁铁块个数为N，内层转子极对数为p，当磁齿轮外环通入直流电时，飞轮转速nr与调相机转速为ns的之比nr/ns＝N/p。
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，受电磁设计和制造成本的限制，调相机本身的惯性时间常数通常在4-6s，进一步提高转动惯量已经非常困难。为增加机组的转动惯量，通常可以加装同轴飞轮。飞轮的惯性时间常数Tjl与其转动惯量Jl、转速ωr、调相机视在功率之间的关系如(1)所示：
Figure BDA0002974147770000041
由(1)可知，飞轮的惯性时间常数与其转速的平方成正比，因此利用磁齿轮提高飞轮转速，则可大幅提升机组惯性时间常数，或显著地降低飞轮的质量。
假设磁齿轮外环定子绕组磁场旋转角速度为Ωc，飞轮与内环转子相连，则飞轮机械角速度Ωr如(2)所示：
Figure BDA0002974147770000051
式(2)中Ωs为调相机机械角速度。由(2)可知，当外环定子磁场旋转方向与调相机转速方向一致时，飞轮转速下降，当两者转向相反时，飞轮转速上升。若用调相机转速和磁齿轮外环定子绕组通电频率fc表示飞轮转速nr，则：
Figure BDA0002974147770000052
当通电电流产生的旋转磁场方向与调相机转向相同时fc为正，反之fc为负。
正常运行时，磁齿轮外环绕组中通入直流电，此时fc＝0，飞轮以恒定的转速nr＝Nns/p旋转。调相机组向系统呈现的惯量时间常数Tj＝Tjs+Tjl，其中Tjs为调相机本体的惯性时间常数，Tjl为飞轮的惯性时间常数。飞轮储存的机械能可表示如下：
Figure BDA0002974147770000053
由于调相机本体转速取决于系统频率，转速基本不变，因此并网运行期间，调相机自身储存的机械能无法转化为一次调频功率。本发明通过改变飞轮的转速，实现飞轮机械能的存储和释放，达到一次调频的目的。
本发明所能提供的一次调频功率由调相机和变流器共同承担，只有当变流器输出频率在变化时，调相机和变流器作为一个整体才向电网提供调频功率，改变变流器的输出频率使飞轮转速上升，则调相机和变流器整体上从电网吸收有功功率；反之飞轮转速下降时调相机和变流器整体向电网馈入有功功率。当变流器输出的频率不变飞轮转速保持稳定时，不考虑调相机和飞轮的损耗，调相机和变流器整体不再向系统提供调频功率。
根据磁齿轮工作原理，可以计算出调相机和变流器分别承担的调频功率比例，假设与飞轮旋转方向为转速正方向，转矩正方向与转速方向一致。Tr表示作用在飞轮上的总机械转矩，Pr表示磁齿轮系统向飞轮输出的机械功率，不考虑摩擦转矩，Pr为正时飞轮加速，Pr为负时飞轮减速；Ts表示调相机输出的机械转矩，Ps表示调相机向飞轮提供的机械功率，Ps为正时调相机从电网吸收功率，为负时向电网馈入功率；Tc表示外环旋转磁场传递给飞轮的机械转矩，Pc表示变流器向飞轮输出的机械功率，Pc为正时变流器从电网吸收功率，为负时向电网馈入功率。根据力矩和功率平衡原理，Tr＝Ts+Tc，Pr＝TrΩr＝Ps+Pc＝TcΩc+TsΩs，将(2)代入功率方程可得：
Figure BDA0002974147770000061
由(5)可进一步推导出Tc与Ts之间的关系Tc/Ts＝(p-N)/N。
假设调相机极对数为p1，不考虑损耗，则变流器输出功率与调相机输出功率之比，如下：
Figure BDA0002974147770000062
式(6)中f0为系统同步频率，约50Hz，fc为变流器输出频率；当Ωc与Ωs转向相同时fc为正；当Ωc与Ωs转向相反时fc为负。由(6)可知，变流器输出频率越高，其承担的调频功率比例越大。而变流器输出频率与飞轮转速有关，将(3)变形后，可得：
Figure BDA0002974147770000063
由(6)、(7)可知，变流器需要承担的调频功率与飞轮调速范围成正比，飞轮调速范围越宽，需要配置的变流器容量也越大。
根据(6)所示的变流器与调相机输出功率的关系可知，本发明的储能调相机有四个调频工作状态：
飞轮转速高于额定转速且处于升速阶段，此过程中外环定子绕组中的交流电频率fc为负(产生反向旋转磁场)，调相机和变流器均从电网吸收有功功率转化为飞轮机械能。
飞轮转速高于额定转速且处于降速阶段，此过程中外环定子绕组交流电频率fc为负，飞轮机械能转化为电能，调相机和变流器均向电网发出有功功率。
飞轮转速低于额定转速且处于降速阶段，此过程中外环定子绕组交流电频率fc为正，飞轮机械能转化为电能，整个调相机系统向电网发出有功功率；其中调相机向电网发送有功功率，变流器从电网吸收有功功率。
飞轮转速低于额定转速且处于升速阶段，此过程中外环定子绕组交流电频率fc为正，整个调相机系统从电网吸收有功功率转化为飞轮的机械能；其中调相机从电网吸收有功功率，变流器向电网发送有功功率。
当飞轮处于任意转速稳定运行时，不考虑损耗，整个调相机系统不向系统提供调频功率。
在实际应用中，当电网频率升高时，应通过变流器控制使飞轮转子升速，使整个系统从电网吸收电能并转化为飞轮机械能。当电网频率下降时，应通过变流器控制使飞轮转子减速，将飞轮机械能转化为电能，并通过调相机和变流器向电网提供有功功率。调频功率的大小与变流器的频率变化速度有关，变流器频率变化速度越快，飞轮转速的变化越快，调相机系统吸收或发出的调频功率越大。
以50MW新能源场站所需小型分布式调相机为例，按照新能源场站不低于20％的动态无功配置比例，50MW新能源场站调相机容量约10MVar，调相机本体惯性时间常数Tj约为5s。
本实例中调相机通过磁齿轮与飞轮相连，飞轮提供15s的惯性时间常数，由此整个调相机系统可以提供的惯性时间常数为20s，折算到新能源场站的惯性时间常数为20s*10/50＝4s，即在新能源场站按照20％的容量配比安装一台本发明专利的调相机后，新能源场站等效的惯性时间常数增加4s。
本实例中，假设磁齿轮内环磁极为p对极，调磁铁块个数为N个，外环定子绕组为N-p对极且p<N-p，则磁齿轮脉动转矩与2p和N的最小公倍数Nc有关，Nc越大脉动转矩越小，若调相机转速为3000rpm，则飞轮基准转速为3000N/p，由(7)可知，在飞轮调速期间，其转速范围为[1±fc/(50N)]*3000N/p。当磁齿轮结构参数确定后，其转速调节范围主要取决于变流器的最大工作频率fcmax。fcmax越大，调速范围越宽，飞轮系统可能向电网提供的调频能力越大。同时，调磁磁铁个数N越大，要达到相同的调速范围，对变流器最大工作频率的要求越高。
考虑到飞轮高速旋转时材料的承受能力，本实例中磁齿轮传动比可在2～3倍之间，当调相机以3000rpm旋转时，飞轮工作转速为6000～9000rpm。同时由之前的分析可知，调磁铁块个数越大，相同调速范围对应的变流器最大工作频率fcmax越高，因此在选择调磁铁块数N时，应同时考虑变流器的通用性和经济成本。
本实例给出两种磁齿轮方案，方案一内环磁极极对数为4，调磁铁块为11，外环定子绕组极对数为7，调相机3000rpm同步运行时，与内环连接的飞轮转速正常为8250rpm。如果进行±20％的调速，则根据fc/(50N)＝20％可知，所需变流器最大工作频率为110Hz，这也是通用高压变流器的最大工作频率。该方案最大的好处是变流器可以采用通用变流器，缺点是与脉动转矩相关的最小公倍数Nc较小(Nc＝2×4×11＝88)，运行过程中存在一定的脉动转矩。
本实例给出的第二种方案：内环磁极极对数为7，调磁铁块为17，外环定子绕组极对数为10，调相机3000rpm同步运行时，与内环连接的飞轮转速正常约为7286rpm。如果进行±20％的调速，则变流器所需的最大工作频率为170Hz。该方案缺点在于需要配置专用变流器，成本可能较高；优点是与脉动转矩相关的最小公倍数Nc较大(Nc＝2×7×17＝238)，脉动转矩很小，运行平稳。
不考虑变流器和磁齿轮损耗，电网频率升高时，飞轮系统向电网提供的调频电能为(1.44-1)×Tjl×Sn/2＝15×10×0.22MW.s＝33MW.s＝9.167kW.h；当电网频率降低时，飞轮系统向电网提供的调频电能为(1-0.64)×Tjl×Sn/2＝27MW.s＝7.5kW.h。按照新能源场站10％的一次调频功率计算，本实例中所需调频功率为5MW，在±20％的调速情况下，相应的变流器容量是1MW，飞轮系统可以在电网频率升高和下降时分别提供6.6s和5.4s的全额一次调频支撑。
本发明兼具传统同步调相机和飞轮储能两者的优点，除了大幅提升调相机固有惯量支撑能力外，还使调相机具备了一次调频能力，本发明通过磁齿轮成倍提升了飞轮转速，可以配置较小的飞轮实现调相机惯性时间常数的大幅提升，本发明可通过无级变速磁齿轮对飞轮转速进行快速调节，实现飞轮储能和一次调频快速响应，本发明与以往全容量变频调速的储能调相机或储能飞轮相比，本发明中由同步调相机从电网吸收或反馈大部分调频功率，可以用较小的变流器获得相同的调频效果。
本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本发明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，本发明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。本发明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。
本发明是参照根据本发明实施例的方法、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。
尽管已描述了本发明的优选实施例，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发明范围的所有变更和修改。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (4)

1.一种基于磁齿轮耦合的同步调相机储能方法，所述方法包括：
使用磁齿轮将调相机和飞轮装置进行电气耦合连接；
设置磁齿轮的调磁铁块的个数与内层转子个数的比，等于飞轮装置的转速与调相机的转速比；
使磁齿轮连接三相交流变流器，使变流器承担的调频功率与飞轮装置的调速范围成正比关系；
通过调节飞轮装置的转速，控制同步调相机的储能；所述调相机与磁齿轮间，磁齿轮与飞轮装置之间使用轴连器连接；
所述调节飞轮装置的转速，包括：调节飞轮装置转速高于额定转速且处于升速阶段，调节飞轮装置转速高于额定转速且处于降速阶段，调节飞轮转速低于额定转速且处于降速阶段和调节飞轮转速低于额定转速且处于升速阶段。
2.根据权利要求1所述的方法，所述磁齿轮为无级变速磁齿轮或可变速柔性齿轮。
3.根据权利要求1所述的方法，所述飞轮装置置于真空箱体中。
4.根据权利要求1所述的方法，所述调相机与飞轮装置还可以通过磁齿轮进行机械连接。
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