CN115589029A - 同步调相机系统及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及同步调相机技术领域，尤其涉及同步调相机系统及其控制方法。一种同步调相机系统，包括控制模块、同步调相机、电机、转轴、飞轮和制动器。一种同步调相机系统的控制方法，使同步调相机系统启动并与外部电网连接并网，根据外部信号使同步调相机系统吸收或输出有功功率和无功功率，使同步调相机系统停机。本发明的同步调相机和电机采用共轴双转子结构，使系统总体结构更紧凑。控制模块通过外部电网的一次调频参数和无功需求信息，控制同步调相机系统吸收或输出有功功率和无功功率，参与一次调频和电网无功调节。控制模块通过调节吸收或输出有功功率和无功功率的时长和周期，参与平抑风电或光伏发电的功率高频波动。

Description

同步调相机系统及其控制方法

技术领域

本发明涉及同步调相机技术领域，尤其涉及同步调相机系统及其控制方法。

背景技术

以风电和光伏为主的新能源发电装机容量不断增大，在电力系统中新能源消纳比例越来越高，风电和光伏发电波动、间歇和不确定性的特性导致电力系统运行中电压的波动和频率稳定问题凸显。负荷侧分布式新能源发电的接入，传统电力系统稳定运行的“源随荷动”调控规则不在适用。

风光发电通过电力电子装置实现并网运行，新能源高比例接入的新型电力系统，运行中的电压稳定-无功控制、故障时电压大幅度跌落和抬升问题，频率稳定-有功控制、电力系统因惯量不足导致频率超限调频动作频繁，尽管有SVC、SVG及虚拟同步机技术的应用和完善，但高比例新能源电力系统短路比逐渐降低、惯量不足的问题并没有解决，且将会越来越突出。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是克服现有技术中存在的不足，提供一种具有储能功能和高转动惯量同步调相机系统及其控制方法。

本发明是通过以下技术方案予以实现：

一种同步调相机系统，包括：

控制模块，通过励磁单元励磁控制同步调相机，并通过双向变流器驱动控制电机，双向变流器以能够断开的方式连接外部电网，控制模块控制制动器对飞轮的制动或释放；

同步调相机，设有第一定子与第一转子，第一定子以能够断开的方式连接外部电网；

电机，设有内转子与外转子，内转子与外转子能够分别独立转动；

转轴，共同连接内转子与第一转子；

飞轮，固定连接外转子；

制动器，用于对飞轮制动。

根据上述技术方案，优选的，第一定子安装于机架上保持固定第一定子包覆于第一转子外侧，第一定子设有第一定子绕组，第一转子设有励磁绕组，第一转子安装在转轴上。

根据上述技术方案，优选的，励磁单元通过2个碳刷滑环连接转轴上的励磁绕组。

根据上述技术方案，优选的，外转子设有鼠笼式绕组，双向变流器通过3个碳刷滑环连接转轴上的内转子。

根据上述技术方案，优选的，内转子与转轴固定连接，外转子与飞轮固定连接，转轴与机架转动连接，飞轮与外转子的两侧分别连接端盖，端盖相对转动连接转轴。

根据上述技术方案，优选的，转轴在飞轮外侧、飞轮与同步调相机之间、同步调相机外侧分别通过轴承连接机架，转轴的两端分别通过碳刷滑环连接励磁单元和双向变流器。

根据上述技术方案，优选的，飞轮为圆环状，飞轮内部设有圆柱状空间，外转子安装于圆柱状中，且外转子与飞轮同心，从而能够带动飞轮转动。

一种同步调相机系统的控制方法，包括以下步骤：使同步调相机系统启动并与外部电网连接并网，根据外部信号使同步调相机系统从外部电网吸收有功功率或使同步调相机系统向外部电网输出有功功率，使同步调相机系统停机。

根据上述技术方案，优选的，启动同步调相机系统包括以下步骤：制动器对飞轮制动，控制模块通过双向变流器驱动内转子转动，内转子通过转轴带动第一转子转动，当电机转速与第一转子达到同步转速时，控制模块使双向变流器、第一定子与外部电网连接并网，并且控制模块使励磁单元励磁控制第一转子保持同步速转动。

根据上述技术方案，优选的，同步调相机系统从外部电网吸收有功功率包括以下步骤：控制模块使制动器释放飞轮，控制模块使双向变流器驱动外转子加速转动，内转子、转轴、第一转子与第一定子磁场保持同步转速，使第一定子从外部电网吸收有功功率，在励磁单元控制下第一定子从外部电网吸收无功功率。

根据上述技术方案，优选的，同步调相机系统向外部电网输出有功功率包括以下步骤：控制单元控制双向变流器降低内转子的供电频率，内转子的电磁场转速低于外转子的机械转速，外转子释放转动惯量,使电机和同步调相机进入发电状态，通过双向变流器和第一定子向外部电网输出有功功率，在励磁单元控制下第一定子向外部电网输出无功功率。

根据上述技术方案，优选的，同步调相机系统停机包括以下步骤：控制模块通过励磁单元使第一转子减磁，控制模块通过双向变流器降低内转子的供电频率，通过双向变流器和第一定子向外部电网输出电能，直至内转子、转轴和第一转子的速度接近零速，系统停机断电，当外转子转速为零时制动器对飞轮制动。

本发明的有益效果是：同步调相机和电机采用共轴双转子结构，使系统总体结构更紧凑。控制模块通过外部电网的一次调频参数和无功需求，控制同步调相机系统吸收或输出有功功率和无功功率，参与一次调频和无功调节。控制模块通过调节吸收或输出有功功率和无功功率的时长和周期，参与平抑风电或光伏发电的功率高频波动。

附图说明

图1示出了本发明的实施例的主视结构示意图。

图2示出了本发明的实施例的运行控制过程框图。

图中：1、控制模块；2、转轴；3、飞轮；4、制动器；5、双向变流器；6、励磁单元；7、第一定子；8、第一转子；9、机架；10、碳刷滑环；11、内转子；12、外转子；13、转速传感器；14、电机引出线；15、电源；16、定子引出线。

具体实施方式

为了使本技术领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图和最佳实施例对本发明作进一步的详细说明。

实施例一：如图1所示,一种同步调相机系统，包括：控制模块1、同步调相机、电机、转轴2、飞轮3和制动器4。

具体的，控制模块1用于分别驱动控制同步调相机和电机，包括控制同步调相机和电机启动、关闭以及调速。控制模块1通过双向变流器5驱动控制电机，控制模块1通过励磁单元6励磁控制同步调相机。并且双向变流器5以能够断开的方式连接外部电网，当电机进入发电状态时，有功功率和无功功率从双向变流器5输入外部电网。当电机进入吸收有功功率和无功功率状态时，有功功率和无功功率从双向变流器5输入。其中，励磁单元6可以为一种励磁柜，进一步的，为直流励磁柜。励磁单元6与双向变流器5均与控制模块1设有双向信息通道，便于实现控制模块1实现对系统的控制。双向变流器5和励磁单元6分别连接电源15线。

具体的，同步调相机设有第一定子7与第一转子8，第一定子7与机架9固定连接，励磁单元6能够通过驱动第一转子8相对于第一定子7转动。第一转子8连接转轴2，第一转子8与转轴2之间能够传递转矩，即第一转子8可以带动转轴2转动，反之，转轴2也可以带动第一转子8转动。第一定子7以能够断开的方式连接外部电网，当同步调相机进入发电状态时，有功功率和无功功率从第一定子7输入外部电网。当同步调相机进入吸收有功功率和无功功率状态时，有功功率和无功功率从第一定子7输入。第一定子7通过定子引出线16连接外部电网。

在一个具体实施例中，第一定子7安装于机架9上保持固定第一定子7包覆于第一转子8外侧，第一定子7设有第一定子绕组，第一转子8设有励磁绕组，第一转子8安装在转轴2上。

在一个具体实施例中，励磁单元6通过2个碳刷滑环10连接转轴2上的励磁绕组，为励磁绕组输入直流电。

具体的，电机设有内转子11和外转子12，内转子11包括铁芯绕组，外转子12包括外铁芯和鼠笼型绕组。内转子11和外转子12均可独立转动。内转子11连接转轴2，转轴2与内转子11之间能够传递转矩，也就是说，转轴2能够带动内转子11转动，内转子11也能够带动转轴2转动。外转子12连接飞轮3，外转子12能够带动飞轮3转动，飞轮3也能够带动外转子12转动。电机可以采用异步电机、同步电机或无刷双馈电机。电机和双向变流器5的容量一般为同步调相机容量的5％-20％，并且可以根据实际工况调整。电机通过碳刷滑环10和电机引出线14连接双向变流器5。

在一个具体实施例中，内转子11与转轴2固定连接，外转子12与飞轮3固定连接，转轴2与机架9转动连接，飞轮3与转轴2转动连接。

在一个具体实施例中，外转子12设有鼠笼式绕组，双向变流器5通过3个碳刷滑环10连接转轴2上的内转子11，从而为内转子11提供三相交流电。

具体的，第一转子8与内转子11连接同一转轴2。第一转子8、内转子11与转轴2之间可以传递转矩。

具体的，飞轮3为半径较大的圆环，飞轮3的转动惯量较大，可以动态存储和释放能量。外转子12能够带动飞轮3转动。

具体的，制动器4用于飞轮3的制动，当需要飞轮3停止转动时，可以启动制动器4，实现对飞轮3的制动。

具体的，转速传感器13用于测量飞轮3的转速，可以飞轮3的转速可以作为参考量或控制量，用于调控同步调相机系统。通过飞轮3的转速可以计算出飞轮3储存的动能量值。

在一个具体实施例中，转轴2在飞轮3外侧、飞轮3与同步调相机之间、同步调相机外侧分别通过轴承连接机架9，转轴2的两端分别通过碳刷滑环10连接励磁单元6和双向变流器5。

在一个具体实施例中，飞轮3为圆环状，飞轮3设有圆柱状中心孔，外转子12安装于圆柱状中心孔中，从而能够带动飞轮3转动。

在一个具体实施例中，制动器4采用电磁制动器4。控制模块1可以控制制动器4的开启或关闭。

在一个具体实施例中，转速传感器13输出的信号可以被控制模块1接收。

实施例二：如图2所示,实施例一中同步调相机系统的控制方法，包括以下步骤：使同步调相机系统启动并与外部电网连接并网，根据外部信号使同步调相机系统从外部电网吸收有功功率和无功功率或使同步调相机系统向外部电网输出有功功率和无功功率，使同步调相机系统停机。

具体的，控制模块1通过外部电网的一次调频参数和无功需求信息，控制同步调相机系统吸收或输出有功功率和无功功率，参与一次调频和电网无功调节。控制模块1通过调节吸收或输出有功功率和无功功率的时长和周期，参与平抑风电或光伏发电的功率高频波动。

具体的，启动同步调相机系统包括以下步骤：控制模块1对制动器4发出制动信号，制动器4对飞轮3制动，控制模块1对双向变流器5发出指令信号，双向变流器5对电机进行变频矢量控制，驱动内转子11转动，内转子11通过转轴2带动第一转子8转动，当电机转速与第一转子8转速相同时，控制模块1使双向变流器5、第一定子7与外部电网连接并网，并且控制模块1使励磁单元6励磁控制第一转子8保持同步速转动。在励磁单元控制下第一定子从外部电网吸收无功功率。

具体的，同步调相机系统从外部电网吸收有功功率包括以下步骤：控制模块1内制动器4发出释放信号，使制动器4释放飞轮3，控制模块1向双向变流器5发出指令，使双向变流器5提高对内转子11的供电频率，使外转子12加速转动，外转子12带动飞轮3一起转动，并且外转子12的旋转方向与转轴的旋转方向相同，外转子12惯性对内转子11产生阻力型反向转矩，使内转子11、转轴2、第一转子8随外转子12加速转动，使第一定子7从外部电网吸收有功功率。并且，飞轮3与外转子12只要处于加速转动状态，就会从外部电网吸收有功功率。通过调整飞轮3与外转子12的加速度大小，可实现对吸收有功功率速率的调整。在励磁单元控制下第一定子向外部电网输出无功功率。

具体的，同步调相机系统向外部电网输出有功功率包括以下步骤：控制单元控制双向变流器5降低内转子11的供电频率，内转子11的电磁场转速低于外转子12的转速，外转子12产生转差功率，内转子11产生有功功率与之平衡，从而使内转子11通过双向变流器5向外部电网供电，即超同步发电状态。并且同步调相机也进入发电状态，通过第一定子7向外部电网输出有功功率。只要飞轮3和外转子12的转速下降，就可以向外部电网输出有功功率。

具体的，同步调相机系统停机包括以下步骤：控制模块1通过励磁单元6使电机减速，控制模块1通过双向变流器5降低内转子11的供电频率，使飞轮3和外转子12减速，将飞轮3的惯性能量转化为有功功率输出到外部电网，通过双向变流器5和第一定子7向外部电网输出电能，直至内转子11、转轴2和第一转子8的速度为零，系统停机断电，当外转子12转速为零或接近零时制动器4对飞轮3制动。

电力系统由发电机、变压器、输电线路和负载构成。电力系统工作时，发电机输出电压要与包括变压器、输电线路和负载各点需要的电压保持平衡。变压器、线路和一些感性负载要消耗无功功率，也就是说感性负载使系统电压降低，容性负载使系统电压升高。

当外部电网的负载变化或风电、光伏等新能源发电侧电压波动时，系统电压需要维持稳定，同步调相机系统通过励磁单元调节吸收或输出的无功功率，从而维持系统电压稳定。并且电机也可以通过双向变流器的解耦控制，实现无功调节。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种同步调相机系统，其特征在于，包括：

控制模块，通过励磁单元连接同步调相机，并通过双向变流器连接电机，所述双向变流器以能够断开的方式连接外部电网，所述控制模块控制制动器对飞轮的制动或释放；

所述同步调相机，设有第一定子与第一转子，所述第一定子包覆于所述第一转子外，所述第一定子以能够断开的方式连接所述外部电网；

所述电机，设有内转子与外转子，所述内转子与所述外转子分别独立转动；

转轴，所述内转子、所述第一转子均与所述转轴连接；

飞轮，固定连接所述外转子；

所述制动器，用于对所述飞轮制动。

2.根据权利要求1所述的一种同步调相机系统，其特征在于，所述第一定子安装于机架，所述第一定子设有第一定子绕组，所述第一转子设有励磁绕组，所述励磁单元通过2个碳刷滑环连接所述第一转子上的所述励磁绕组。

3.根据权利要求1所述的一种同步调相机系统，其特征在于，所述外转子设有鼠笼式绕组，所述双向变流器通过3个碳刷滑环连接所述内转子。

4.根据权利要求2所述的一种同步调相机系统，其特征在于，所述内转子与所述转轴固定连接，所述外转子与所述飞轮固定连接，所述转轴可转动地连接所述机架，所述飞轮与所述外转子的两侧分别连接端盖，所述端盖相对转动连接所述转轴。

5.根据权利要求2所述的一种同步调相机系统，其特征在于，所述转轴在所述飞轮外侧、所述飞轮与所述同步调相机之间、所述同步调相机外侧分别通过轴承连接所述机架，所述转轴的两端分别通过碳刷滑环连接所述励磁单元和所述双向变流器。

6.一种权利要求1-5任一项所述的同步调相机系统的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：使所述同步调相机系统启动并与所述外部电网连接并网，根据外部信号使所述同步调相机系统从所述外部电网吸收有功功率和无功功率，或根据外部信号使所述同步调相机系统向所述外部电网输出有功功率和无功功率，使所述同步调相机系统停机。

7.根据权利要求6所述的一种同步调相机系统的控制方法，其特征在于，启动所述同步调相机系统包括以下步骤：所述制动器对所述飞轮制动，所述控制模块通过所述双向变流器驱动所述内转子转动，所述内转子通过所述转轴带动所述第一转子转动，当所述电机的转速与所述第一转子的转速达到第一定子磁场同步转速时，所述控制模块使所述双向变流器、所述第一定子与所述外部电网连接并网，并且所述控制模块通过所述励磁单元励磁控制所述第一转子保持同步速转动。

8.根据权利要求7所述的一种同步调相机系统的控制方法，其特征在于，所述同步调相机系统从所述外部电网吸收有功功率包括以下步骤：所述控制模块使所述制动器释放所述飞轮，所述控制模块通过所述双向变流器驱动所述外转子加速转动，所述内转子、所述转轴和所述第一转子随所述外转子加速转动或保持同步转速状态，使所述第一定子和内转子从所述外部电网吸收有功功率，在励磁单元控制下第一定子从外部电网吸收无功功率。

9.根据权利要求8所述的一种同步调相机系统的控制方法，其特征在于，所述同步调相机系统向所述外部电网输出有功功率包括以下步骤：所述控制单元通过所述双向变流器降低所述内转子的供电频率，使所述内转子的电磁场转速低于所述外转子的机械转速，使所述电机和所述同步调相机处于发电状态，通过所述双向变流器和所述第一定子向所述外部电网输出有功功率，在励磁单元控制下第一定子向外部电网输出无功功率。

10.根据权利要求9所述的一种同步调相机系统的控制方法，其特征在于，所述同步调相机系统停机包括以下步骤：所述控制模块通过所述励磁单元使所述同步调相机减少励磁电流，所述控制模块通过所述双向变流器降低所述内转子的供电频率，通过所述双向变流器和所述第一定子向所述外部电网输出电能，直至所述内转子、所述转轴和所述第一转子的速度接近零速，系统停机断电，当所述外转子的转速为零时所述制动器对所述飞轮制动。

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