CN117081098A - 一种新能源电力系统用高惯量强功率快速稳频/稳压装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种新能源电力系统用高惯量强功率快速稳频/稳压装置，属于电力装备技术领域。包括电机、功率变流器、励磁变流器、励磁变压器、主变压器，电机的定子绕组连接功率变流器，通过主变压器与电力系统实现能量流通，电机的转子绕组连接励磁变流器，通过励磁变压器与主变压器的副边相连接；功率变流器用于通过控制定子旋转磁场的频率，改变电机的同步速度，实现转子的变速运行，从而实现电机向电网发出或吸收电能，进行有功功率调节；励磁变流器用于实现交流或直流励磁，实现无功功率调节，或有功功率与电网间的传递；主变压器，用于将电网电压变换为适合装置电压等级的电压，实现降压；励磁变压器用于为电机提供三相交流励磁电源。
Description
技术领域
本发明属于电力装备技术领域，更具体地，涉及一种新能源电力系统用高惯量强功率快速稳频/稳压装置。
背景技术
“碳达峰、碳中和”是国家、国际发展所需，也是国家重大发展战略。为实现这一“双碳”目标，就必须解决以风电、光伏为代表的绿色可再生能源大规模并网消纳问题，建设以新能源为主体的新型电力系统。风光等可再生能源大规模接入引起的电力系统电压频率失稳、宽频振荡等稳定性问题及突发故障已成为制约可再生能源电源比例进一步提升的瓶颈，其原因在于传统同步发电机投运减少所带来的电力系统同步惯量水平不足，短路电流水平下降，电压频率暂态同步支撑能力缺失。
风光机组的新型控制技术虽然在一定程度上能够提升控制快速性和运行适应性，但无法解决电网过载能力不足、同步惯量缺失等影响电网稳定的根本性问题，容易导致新能源电力系统故障时的系统崩溃。在现有技术中，采用传统同步调相机提升系统电压和同步支撑能力，已成为解决大规模可再生能源直流外送暂态稳定问题的一种重要技术手段。
然而，传统同步调相机仅能进行无功补偿、解决电压稳定支撑的问题，对于系统同步惯量和频率支撑基本无助力，其作用远不及传统同步发电机组。随着新能源电站的大规模开发，传统同步电源比例在不断下降，系统同步惯量水平缺失引起的频率稳定性问题将日益突出，突发故障导致系统崩溃的问题将更加凸显。
因此，构建以新能源为主体的新型电力系统亟待一种可以兼具电压/频率支撑功能的快响应、强功率支撑装备，在系统故障时同时提供快速、强力的有功和无功功率补偿，弥补新型电力系统的电压频率暂态同步支撑能力短板，大幅提升新能源电力系统故障支撑能力，助力更多的新能源有效外送和消纳。
发明内容
针对现有技术的缺陷或改进需求，本发明的目的在于提供一种新能源电力系统用高惯量强功率快速稳频/稳压装置，具备实现对电力系统的有功功率和无功功率快速强力调节能力，兼具电压/频率支撑功能，旨在解决新型电力系统同步惯量水平不足，短路电流水平下降，电压频率暂态同步支撑能力缺失的问题，可应用于新能源场站、高压直流输电换流站、电力传输网等场景。
为实现上述目的，本发明提供了一种新能源电力系统用高惯量强功率快速稳频/稳压装置，包括：高惯量储能调相电机，功率变流器，励磁变流器，励磁变压器，主变压器。高惯量储能调相电机的设计受有效储能容量与额定功率的共同约束，导致电机惯性时间常数提高，其中，高惯量储能调相电机定子绕组连接功率变流器，通过主变压器与电力系统实现能量流通；高惯量储能调相电机转子绕组连接励磁变流器，通过励磁变压器与主变压器副边相连接；
所述高惯量储能调相电机包括：转子结构和定子结构，所述定子结构包括：铁芯、定子绕组；所述转子结构包括：铁芯、转子绕组、电刷与滑环；高惯量储能调相电机的体积与质量受该装置储能与额定功率的共同约束，同时与电机转速范围相关，可有效提升电机惯性时间常数；有效储能要求的增加将导致高惯量储能调相电机的惯性时间常数提升，具有高惯性时间常数、高有效储能的调相电机，兼具有功功率和无功功率的快速调节能力，可以同时实现电压与频率的支撑。
所述功率变流器，与所述高惯量储能调相电机定子绕组连接，用于通过控制定子旋转磁场的频率，改变电机的同步速度，实现转子的变速运行，从而实现电机向电网发出或吸收电能，进行有功功率调节；
所述励磁变流器，包含交直交变流器或交直整流器，与高惯量储能调相电机转子绕组连接，可以实现交流或直流励磁，实现无功功率调节，或有功功率与电网间的传递；
所述主变压器，与所述功率变流器和电力系统相连接，是该高惯量储能调相电机系统的总降压装置；
所述励磁变压器，与所述主变压器低压侧和励磁变流器相连接，用于为高惯量储能调相电机励磁系统提供三相交流励磁电源。
优选地，高惯量储能调相电机的转速范围应与该装置的储能、功率协同设计，保证电机同时满足储能与功率的约束；
优选地，高惯量储能调相电机可选用双馈电机，则此时所述励磁变流器选用交直交变流器，可以灵活调节转子电流频率，与所述定子侧功率变流器输出频率、电压大小和相位等协同控制，保持双馈电机在发电状态时转子转速一直高于定子磁场同步旋转速度(超同步速状态)，保持双馈电机在电动状态时转子转速一直低于定子磁场同步旋转速度(亚同步速状态)，保证双馈电机的异步电磁转矩与同步电磁转矩同向叠加，从而实现瞬时强有功功率的输出或吸收，起到快速抑制电网频率波动的作用，有效发挥高惯量储能型调相电机的惯量储能，显著提升电网的同步惯量支撑水平，消除频率快速波动所带来的系统故障崩溃隐患。
通过本发明所构思的以上技术方案，与现有技术相比，能够取得以下
有益效果：
(1)本发明提供的新能源电力系统用高惯量强功率快速稳频/稳压装置，可以充分发挥其中的高惯量储能调相电机瞬时强有功功率补偿(输出/吸收)能力，特别是当转子采用交流励磁技术路线时，当出现电网频率波动，可通过定子侧功率变流器及转子侧励磁变流器的协同调控，保证双馈电机的异步电磁转矩与同步电磁转矩同向叠加，起到快速抑制电网频率波动的作用，从而可以有效发挥高惯量储能型调相电机的惯量储能，大大提升电网的同步惯量水平。
(2)本发明提供的新能源电力系统用高惯量强功率快速稳频/稳压装置，其中的高惯量储能调相电机定子绕组通过功率变流器连接电网，由于所采用的是能量双向流动交直交变流器，可以起到将电网电压与定子机端电压的隔离作用，从而在电网电压瞬间大幅度波动的时候避免了对控制系统的冲击，能更有效地充分发挥出电机的功率补偿能力。
(3)本发明提供的新能源电力系统用高惯量强功率快速稳频/稳压装置，其中的高惯量储能调相电机，当释放或存储能量结束时，可以通过定、转子侧变流器的协同调控，使得电机基本以空载状态维持运行在转速变化范围的最高或最低转速，此时电机运行的异步转差率仍然很小或基本为零，自身损耗低，对电网的频率稳定和有功功率影响极小，待电网频率波动恢复时可通过双侧变流器协同控制，缓慢吸收或释放能量，使得转子转速恢复至电机的额定同步速。
附图说明
图1是为本发明实施例一提供的新能源电力系统用高惯量强功率快速稳频/稳压装置示意图；
图2为本发明实施例二提供的新能源电力系统用高惯量强功率快速稳频/稳压装置示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间不构成冲突就可以相互组合。
本发明提供了一种新能源电力系统用高惯量强功率快速稳频/稳压装置，包括：高惯量储能调相电机，功率变流器，励磁变流器，励磁变压器，主变压器。其中，高惯量储能调相电机定子绕组连接功率变流器，通过主变压器与电力系统实现能量流通；高惯量储能调相电机转子绕组连接励磁变流器，通过励磁变压器与主变压器副边相连接；
所述高惯量储能调相电机包括：转子结构和定子结构，所述定子结构包括：铁芯、定子绕组；所述转子结构包括：铁芯、转子绕组、电刷与滑环；高惯量储能调相电机的体积与质量受该装置储能与额定功率的共同约束，同时与电机转速范围相关；有效储能要求的增加将导致高惯量储能调相电机的惯性时间常数偏大，具有高惯性时间常数、高有效储能的调相电机，兼具有功功率和无功功率的快速调节能力，可以同时实现电压与频率的支撑。
所述功率变流器，与所述高惯量储能调相电机定子绕组连接，用于通过控制定子旋转磁场的频率，改变电机的同步速度，实现转子的变速运行，从而实现电机向电网发出或吸收电能，进行有功功率调节；
所述励磁变流器，包含交直交变流器或交直整流器，与高惯量储能调相电机转子绕组连接，可以实现交流或直流励磁，实现无功功率调节，或有功功率与电网间的传递；
所述主变压器，与所述功率变流器和电力系统相连接，是该高惯量储能调相电机系统的总降压装置；
所述励磁变压器，与所述主变压器低压侧和励磁变流器相连接，用于为高惯量储能调相电机励磁系统提供三相交流励磁电源。
实施例一：
图1为本发明实施例一提供的一种新能源电力系统用高惯量强功率快速稳频/稳压装置示意图。
如图1所示，一种新能源电力系统用高惯量强功率快速稳频/稳压装置包括：高惯量储能调相电机，功率变流器，励磁变流器，励磁变压器，主变压器。其中，高惯量储能调相电机为双馈电机，定子绕组连接功率变流器，通过主变压器与电力系统实现能量流通；转子绕组连接交流励磁变流器，通过励磁变压器与主变压器副边相连接。所述双馈电机包括：转子结构和定子结构，所述定子结构包括：铁芯、定子交流绕组；所述转子结构包括：铁芯、转子交流绕组、电刷与滑环。所述功率变流器，与所述双馈电机定子绕组连接，用于通过控制定子旋转磁场的频率，改变双馈电机的自然同步速；所述交流励磁变流器与高惯量储能调相电机转子绕组连接，进行转子侧频率和功率调控，并可与定子侧功率变流器协同调控，共同实现双馈电机转子的变速运行，保持双馈电机的异步电磁转矩与同步电磁转矩同向叠加，实现瞬间强有功功率支撑与补偿功能，起到快速抑制电网频率波动的作用，同时可有效发挥高惯量储能调相电机的惯量储能。所述主变压器，与所述功率变流器和电力系统相连接，是该高惯量强功率快速稳频/稳压支撑装置的总降压装置；所述励磁变压器，与所述主变压器低压侧和电机的励磁变流器相连接，用于为高惯量储能调相电机励磁系统提供三相交流励磁电源。
电网无故障时，高惯量强功率快速稳频/稳压支撑装置中的高惯量储能调相电机运行于电机的额定同步转速，近似于空载运行；当电网出现电压波动故障时，可快速调节励磁变流器的电流幅值、相位，实现无功功率的快速补偿，支撑电网电压；当电网出现频率突然下降或上升故障时，功率变流器的频率将主动降低或上升，控制电机转速下降或上升，以实现降速发电或升速电动运行，在转子变速的同时，控制侧励磁变流器需一直维持一个较低的频率，使得双馈电机维持在一个与定子侧旋转磁场转速转差率很低的超同步速或亚同步速工况，从而有效保证双馈电机的异步电磁转矩与同步电磁转矩同向叠加，向电网提供快速强有功补偿，起到快速抑制电网频率波动的作用，大幅提升电网的同步惯量水平。
实施例二：
图2为本发明实施例一提供的一种新能源电力系统用高惯量强功率快速稳频/稳压装置示意图。
如图2所示，一种新能源电力系统用高惯量强功率快速稳频/稳压装置包括：高惯量储能调相电机，功率变流器，励磁变流器，励磁变压器，主变压器。其中，高惯量储能调相电机为同步电机，定子绕组连接功率变流器，通过主变压器与电力系统实现能量流通；转子绕组连接直流励磁变流器，通过励磁变压器与主变压器副边相连接。所述同步电机包括：转子结构和定子结构，所述定子结构包括：铁芯、定子交流绕组；所述转子结构包括：铁芯、转子直流绕组、电刷与滑环。所述功率变流器，与所述同步电机定子绕组连接，用于通过控制定子旋转磁场的频率，改变同步电机的转子转速，实现有功功率的补偿与调节；所述直流励磁变流器与高惯量储能调相电机转子绕组连接，进行无功功率补偿与调节。所述主变压器，与所述功率变流器和电力系统相连接，是该高惯量强功率快速稳频/稳压支撑装置的总降压装置；所述励磁变压器，与所述主变压器低压侧和励磁变流器相连接，用于为高惯量储能调相电机励磁系统提供三相交流励磁电源。
电网无故障时，高惯量强功率快速稳频/稳压支撑装置中的高惯量储能调相电机运行于电机的额定同步转速，近似于空载运行；当电网出现电压波动故障时，可快速调节励磁变流器的电流幅值，实现无功功率的快速调节，支撑电网电压；当电网出现频率突然下降或上升故障时，功率变流器的频率将主动降低或上升，控制电机转速下降或上升，以实现降速发电或升速电动运行，但电机转速始终与电机定子磁场转速维持在同步运行，类似于常规同步电机的有功功率调节运行，只有同步电磁转矩和电磁功率，可以忽略其异步感应作用。这也是实施例二与实施例一运行上的一最大区别。实施例一在转速变化的运行时，转子转速与定子磁场转速之间则存在很小的转差率，因而会同时存在异步电磁转矩和同步电磁转矩，通过定转子双侧变流器的合理调控，即可获得更大的异步-同步合成电磁转矩，实现更大的有功补偿和频率支撑能力，更大限度地提升电网的同步惯量水平。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种新能源电力系统用高惯量强功率快速稳频/稳压装置，其特征在于，包括电机、功率变流器、励磁变流器、励磁变压器、主变压器，所述电机的定子绕组连接功率变流器，通过主变压器与电力系统实现能量流通，所述电机的转子绕组连接励磁变流器，通过励磁变压器与主变压器的副边相连接；
所述功率变流器用于通过控制定子旋转磁场的频率，改变电机的同步速度，实现转子的变速运行，从而实现电机向电网发出或吸收电能，进行有功功率调节；
所述励磁变流器用于实现交流或直流励磁，实现无功功率调节，或有功功率与电网间的传递；
所述主变压器，用于将电网电压变换为适合装置电压等级的电压，实现降压；
所述励磁变压器用于为电机提供三相交流励磁电源。
2.根据权利要求1所述的新能源电力系统用高惯量强功率快速稳频/稳压装置，其特征在于，所述电机为高惯量储能调相电机，包括：转子结构和定子结构，所述定子结构包括：铁芯、定子绕组；所述转子结构包括：铁芯、转子绕组、电刷与滑环。
3.根据权利要求2所述的新能源电力系统用高惯量强功率快速稳频/稳压装置，其特征在于，所述电机为双馈电机或同步电机。
4.根据权利要求1所述的新能源电力系统用高惯量强功率快速稳频/稳压装置，其特征在于，电网无故障时，电机运行于额定同步转速，空载运行；当电网出现电压波动故障时，通过调节励磁变流器的电流幅值、相位，实现无功功率的补偿，支撑电网电压；当电网出现频率突然下降或上升故障时，功率变流器的频率主动降低或上升，控制电机转速下降或上升，以实现降速发电或升速电动运行。
5.根据权利要求1所述的新能源电力系统用高惯量强功率快速稳频/稳压装置，其特征在于，所述励磁变流器包括交直交变流器或交直整流器。
6.根据权利要求2所述的新能源电力系统用高惯量强功率快速稳频/稳压装置，其特征在于，高惯量储能调相电机的体积与质量受该装置有效储能与额定功率的共同约束，同时与电机转速范围相关。
7.根据权利要求3所述的新能源电力系统用高惯量强功率快速稳频/稳压装置，其特征在于，当所述电机为双馈电机时，所述励磁变流器为交直交变流器，通过定子侧功率变流器及转子侧励磁变流器的协同调控，保证双馈电机的异步电磁转矩与同步电磁转矩同向叠加，起到抑制电网频率波动的作用。
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| CN202310898713.3A Active CN117081098B (zh) | 2023-07-20 | 2023-07-20 | 一种新能源电力系统用高惯量强功率快速稳频/稳压装置 |
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Citations (9)
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-
2023
- 2023-07-20 CN CN202310898713.3A patent/CN117081098B/zh active Active
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