CN201041944Y - 基于飞轮储能的柔性交流输电系统 - Google Patents

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Abstract

一种基于飞轮储能的柔性交流输电系统，包括双馈型飞轮储能电机、交流励磁电源、监控装置、串联变压器和反并联双向晶闸管。交流励磁电源包括并联侧变换器、串联侧变换器和电容，并联侧变换器交流端与双馈型飞轮储能电机转子绕组连接，并联侧变换器的两直流端和串联侧变换器的两直流端分别与电容两端连接，串联侧变换器交流端与串联变压器原方绕组连接。串联变压器副方绕组与反并联双向晶闸管并联，串联变压器副方绕组的一端与飞轮储能电机定子绕组连接。监控装置通过控制反并联双向晶闸管的连通状态实现旁路保护。本实用新型具备储能、发电、同步调相、稳定节点电压、改变线路阻抗抑制振荡和调控线路潮流等功能，确保电力系统安全、经济、高效运行。

Description

基于飞轮储能的柔性交流输电系统
技术领域
本实用新型属于飞轮储能技术和柔性交流输电技术，具体涉及一种基于飞轮储能的柔性交流输电系统，包括双馈型飞轮储能电机、交流励磁电源和监控装置。
背景技术
在目前的电力系统中，由于没有大容量快速存取电能的器件，电能的生产和消费必须时刻基本保持在机-电功率平衡状态。一旦系统受到扰动引起动态功率失衡，就可能对系统的稳定性构成威胁，严重的机-电功率失衡会导致系统崩溃。
为了解决这个问题，目前常用的方法是使用继电保护和安全稳定控制装置，在系统故障时进行切机、切负荷或系统解列等操作，以尽量缓解系统中由于故障引起的功率不平衡问题。这类控制装置常常根据事先通过大量离线计算得到的事故处理表进行处理，因此不可能能完全符合故障发生时系统的实际情况，当然也不一定能够完全补偿因故障引起的不平衡功率。我们将这种稳定控制措施称为“被动致稳”。
正是因为动态功率平衡这一根本性的问题没有得到很好的解决，所以尽管近年来电力系统的运行技术取得了很大的发展，但是仍然不能避免大电网瓦解事故的发生，尤其是2003年8月以后，世界范围内连续发生了几次大停电，不仅在经济上造成了巨大的损失，而且给人民生活和社会稳定带来了危害，电网安全已关系到国家安全。
现有的电网结构日益复杂，同时运行与调度方面的不协调，会造成电网中的潮流分布不合理，使得输电网在功率输送中常常出现环流功率振荡、功率绕送以及功率倒流等现象，这些问题造成大互联电网中大量电能损耗或被迫降低电网的输送能力，甚至造成电力系统的灾变，使整个系统的运行和调度受到很大的影响，不能满足超大规模输配电和电网安全保障的要求。
为从功率平衡这一根本上提高电力系统运行的可靠性和稳定性，华中科技大学已经提出了一种储能调相电机(公开号为CN1595772A，公开日为2005年3月16日)。该装置以电力系统现有的同步调相机为基础，通过对电机结构进行改进，增大转子的转动惯量用以储存电能，同时采用交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，构成一种具有储能、发电和调相功能的电力柔性调控装置。该储能调相电机解决了功率平衡问题，但并未涉及调控输电线路潮流实现系统潮流的最优分配、抑制线路对地短路后引发的功率振荡、系统节点电压支撑以及保证输电线路输送容量接近热稳定极限等问题。
发明内容
本实用新型的目的是提供一种基于飞轮储能的柔性交流输电系统，它具备储能、发电、同步调相、稳定节点电压、改变线路阻抗抑制振荡以及调控线路潮流功能，可主要应用于电力系统潮流控制和动态稳定性控制，能对电力系统快速变化的运行工况和运行参数实施有效的快速调控，确保电力系统在各种工况下的安全、经济、高效、优质运行。
本实用新型提出了一种基于飞轮储能的柔性交流输电系统，包括双馈型飞轮储能电机、交流励磁电源和监控装置，交流励磁电源包括并联侧变换器、串联侧变换器和电容，并联侧变换器和串联侧变换器均为三相电压源型脉宽调制变换器，并联侧变换器的交流端与双馈型飞轮储能电机的转子绕组连接，并联侧变换器的两直流端和串联侧变换器的两直流端分别与电容两端连接，监控装置用于对并联侧变换器和串联侧变换器实施监控，并监控输电线路电压和潮流，其特征在于：该系统还包括串联变压器和反并联双向晶闸管，串联变压器的原方绕组与串联侧变换器的交流端连接，串联变压器副方绕组的两端与反并联双向晶闸管两端连接，串联变压器的副方绕组的一端与双馈型飞轮储能电机的定子绕组连接，监控装置用于监控反并联双向晶闸管，通过控制反并联双向晶闸管的连通状态实现旁路保护。
并联侧变换器由全控型功率开关元件和电感构成，全控型功率开关元件组成第一三相全桥结构，三相桥臂中点与双馈型飞轮储能电机的转子绕组通过三相电感相连。
串联侧变换器由全控型功率开关元件和电感电容低通滤波器构成，全控型功率开关元件组成第二三相全桥结构，三相桥臂中点与串联变压器的原方绕组通过三相电感电容低通滤波器相连。
作为本实用新型的优化，串联变压器的原方绕组接成三角形。
本实用新型除了保留现有的储能调相电机的功能外将具备更加强大的功能，可分别或同时实现串联补偿、并联补偿、移相控制、阻抗模拟和实时控制传输线路潮流等多种不同的功能，从而提高线路传输能力、稳定性及阻尼系统振荡，对电力系统快速变化的运行工况和运行参数实施有效的快速调控，确保电力系统在各种工况下的安全、经济、高效、优质运行。具体而言，本实用新型可以在如下方面产生明显效果：
(1)并联侧变换器可实现定子端口有功和无功功率的解耦控制以及转速的稳定控制，串联侧变换器工作在静态同步串联补偿器方式，可实现直流母线电压的稳定以及线路可变阻抗控制。即系统具备储能、发电和调控线路潮流的功能。
(2)并联侧变换器可实现定子端口有功功率和稳定节点电压的解耦控制以及转速的稳定控制，串联侧变换器工作在静态同步串联补偿器方式，可实现直流母线电压的稳定以及线路可变阻抗控制。即系统具备储能、发电和稳定节点电压以及调控线路潮流的功能。
(3)并联侧变换器工作在同步调相方式，具有向系统提供和吸收无功功率或稳定节点电压的功能以及转速的稳定控制，串联侧变换器工作在静态同步串联补偿器方式，可实现直流母线电压的稳定以及线路可变阻抗控制。即系统具备同步调相和调控线路潮流的功能。
附图说明
图1为本实用新型系统结构示意图；
图2为本实用新型中并联侧变换器的电路拓扑结构图；
图3为本实用新型中串联侧变换器的电路拓扑结构图。
具体实施方式
本实用新型提出的一种基于飞轮储能的柔性交流输电系统，其结构如图1所示，包括双馈型飞轮储能电机1、交流励磁电源、监控装置7、串联变压器3和反并联双向晶闸管6。
交流励磁电源包括并联侧变换器2、串联侧变换器4和电容5，并联侧变换器2和串联侧变换器4均为三相电压源型脉宽调制变换器(PWM)，并联侧变换器2的交流端与双馈型飞轮储能电机1的转子绕组连接，并联侧变换器2的两直流端和串联侧变换器4的两直流端分别与电容5两端连接，串联侧变换器4的交流端与串联变压器3的原方绕组连接。
串联变压器3的副方绕组两端与反并联双向晶闸管6两端连接，串联变压器3的副方绕组的一端a与双馈型飞轮储能电机1的定子绕组连接。串联变压器3的原方绕组接成三角形形式，效果最优。
监控装置7用于对并联侧变换器2、串联侧变换器4、反并联双向晶闸管6实施监控，并监控输电线路电压、潮流等电量。监控装置7通过控制反并联双向晶闸管6的连通状态实现旁路保护。反并联双向晶闸管6在系统正常工作时关断，故障时开通。
在电力系统应用中，双馈型飞轮储能电机1的定子绕组与电网输电线路接入点的一端连接，串联变压器3的副方绕组的一端b与电网输电线路接入点的另一端连接，从而将该系统串接于电网输电线路中。
X1表征电网输电线路与本实用新型接入点前的传输阻抗，X2表征电网输电线路与本实用新型接入点后的传输阻抗。
双馈型飞轮储能电机1是机电能量转换部件，其结构类似于绕线式异步电机，旋转电机的定子和转子均安放对称三相绕组，其定子与普通交流电机定子相似，定子绕组由具有固定频率的对称三相电源激励。电机定转子极数相同。转子绕组由具有可调节频率的对称三相电源激励。电机的转速由定转子之间的转差频率确定。电机的定转子磁场是同步旋转的，因而它又具有类似同步电机的特性。在转子轴上安装飞轮增大转子转动惯量用以存储更多的能量，因此双馈型飞轮储能电机1在这里既可以看作是没有原动机的发电机又可以看作是没有机械负载的电动机。飞轮储能技术是利用高速旋转的飞轮将系统多余能量以动能的形式储存起来，当系统能量紧急缺乏或需要时，飞轮减速运行，将存储的动能释放出来。因此，正常工作时双馈型飞轮储能电机1的运行模式可以划分为以下三种：①飞轮以设定的转速启动完成后保持高速旋转，系统提供最小损耗，维持储能状态；②根据检测到的系统不平衡功率要求，在转速上下限之间处于频繁地加速减速，吸收和释放能量；③维持飞轮高速旋转的同时，进行同步调相。
交流励磁电源采用转差功率可四象限运行的双PWM电压源型变换器结构，它的一端与串联变压器3的原方三相绕组连接，另一端与双馈型飞轮储能电机1的转子三相绕组相连。对应于双馈型飞轮储能电机1的运行模式，并联侧变换器2也有三种运行状态：①并联侧变换器2工作在速度模式，保证双馈型飞轮储能电机1启动后，飞轮高速旋转维持储能状态；②通过监控装置感知电力系统的不平衡功率指令，并联侧变换器2工作在功率模式，提供和吸收功率，飞轮频繁地加速减速。但由于双馈型飞轮储能电机1在此处既可看作是没有机械负载的双馈电动机，又可看作是没有原动机的双馈发电机。因此，并联侧变换器2工作在功率模式时双馈型飞轮储能电机1是无法稳定电机转速的，所以转速在接近速度上下限时，并联侧变换器2必须从功率运行模式切换到速度运行模式，以稳定转速；③同步调相时，并联侧变换器2工作在速度模式，只接受系统的定子端口无功功率指令或稳定节点电压指令。并联侧变换器2采用定子磁场定向的矢量控制技术，可实现的功能包括：定子端口有功功率和无功功率的解耦控制或者定子端口有功功率和节点电压的解耦控制；启动过程以及功率运行模式和速度运行模式切换过程的转速稳定控制；同步调相时转速的稳定控制等功能。串联侧变换器4采用电网电流(串联变压器3的副方绕组电流)定向的矢量控制，可实现中间环节直流母线电压的稳定控制以及调节电网传输线路上的等效阻抗，以此来改变传输线路上的有功功率和无功功率，从而达到调控线路潮流的目的。
如图2所示，并联侧变换器2由全控型功率开关元件和电感构成，全控型功率开关元件组成第一三相全桥结构8，三相桥臂中点与双馈型飞轮储能电机1的转子绕组通过三相电感9相连。
并联侧变换器2控制所需要的检测量包括定子电压、定子电流、转子电流、直流母线电压以及转子位置角。控制过程如下：检测定子电压，通过硬件或软件鎻相获得定子电压合成矢量空间位置角，忽略定子电阻的影响后，得到定子磁链幅值和定子磁通角，并和检测到的转子位置角用于控制系统进行同步旋转dq坐标系下的控制。转速指令由系统设定的速度上下限值给出，定子有功功率指令和定子无功功率指令则根据监控系统检测的系统不平衡功率给出，定子端口节点电压幅值指令根据系统实现不同功能的要求给出。实际的定子有功功率和无功功率由检测的定子电压和定子电流计算后得到，实际的转速由转子位置角计算处理后得出作为控制系统的反馈量。根据不同的工作模式，同步旋转坐标系下的双环控制双通道策略为，转子电流的q轴指令由转速指令上下限值与转速的反馈量通过PI调节器得到或者由定子有功功率指令与定子有功功率的反馈量通过PI调节器得到，转子电流的d轴指令由定子无功功率指令与定子无功功率的反馈量通过PI调节器得到或者由定子电压幅值指令与定子电压幅值的检测值通过PI调节器得到，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并联侧变换器2的控制指令，从而控制转子励磁电流，可分别或同时实现储能、发电、稳定节点电压、同步调相等多种功能。
如图3所示，串联侧变换器4由全控型功率开关元件和电感电容(LC)低通滤波器构成，全控型功率开关元件组成第二三相全桥结构11，三相桥臂中点与串联变压器3的原方绕组通过三相LC低通滤波器10连接。
串联侧变换器4控制所需要的检测量包括直流母线电压、LC低通滤波器10的电感电流和电容电压以及串联变压器3的副方绕组电流。控制过程如下：检测流过串联变压器3副方绕组中的电网电流，考虑串联变压器3原方和副方绕组的连接形式以及需要模拟的阻抗性质后，通过硬件或软件鎻相，获得LC低通滤波器10的电容电压，即串联变压器3原方绕组的电压合成矢量空间位置角，用于控制系统进行同步旋转dq坐标系下的控制。同步旋转坐标系下的双通道策略采用基于LC低通滤波器10的电感电流和电容电压的多环控制。直流母线电压指令与检测到的直流母线电压反馈量通过PI调节器得到LC低通滤波器10的电容电压d轴指令，LC低通滤波器10的电容电压q轴指令由所需要的线性阻抗补偿或电压补偿参考量决定。LC低通滤波器10的电容电压dq轴指令与检测到的LC低通滤波器10的电容电压经过坐标变换后得到的dq轴电压反馈量通过PI调节器得到LC低通滤波器10的电感电流dq轴指令，再与检测到的LC低通滤波器10的电感电流经过坐标变换后得到的dq轴电流反馈量进行PI调节，并考虑实际系统中变换器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，最终得到串联侧变换器4中三相全桥结构桥臂中点dq轴指令电压，并经过坐标变换得到三相全桥结构桥臂中点三相参考电压作为串联侧变换器4的控制指令，实现中间环节直流母线电压的稳定控制以及调节电网传输线路上的等效阻抗，以此来改变传输线路上的有功功率和无功功率，从而达到调控线路潮流的目的。

Claims (4)

1.一种基于飞轮储能的柔性交流输电系统，包括双馈型飞轮储能电机(1)、交流励磁电源和监控装置(7)，交流励磁电源包括并联侧变换器(2)、串联侧变换器(4)和电容(5)，并联侧变换器(2)和串联侧变换器(4)均为三相电压源型脉宽调制变换器，并联侧变换器(2)的交流端与双馈型飞轮储能电机(1)的转子绕组连接，并联侧变换器(2)的两直流端和串联侧变换器(4)的两直流端分别与电容(5)两端连接，监控装置(7)用于监控并联侧变换器(2)和串联侧变换器(4)，其特征在于：该系统还包括串联变压器(3)和反并联双向晶闸管(6)，串联变压器(3)的原方绕组与串联侧变换器(4)的交流端连接，串联变压器(3)副方绕组的两端与反并联双向晶闸管(6)两端连接，串联变压器(3)的副方绕组与双馈型飞轮储能电机(1)的定子绕组连接，监控装置(7)通过控制反并联双向晶闸管(6)的连通状态实现旁路保护。
2.根据权利要求1所述的基于飞轮储能的柔性交流输电系统，其特征在于：串联变压器(3)的原方绕组接成三角形。
3.根据权利要求1或2所述的基于飞轮储能的柔性交流输电系统，其特征在于：并联侧变换器(2)由全控型功率开关元件和电感构成，全控型功率开关元件组成第一三相全桥结构(8)，三相桥臂中点与双馈型飞轮储能电机(1)的转子绕组通过三相电感(9)相连。
4.根据权利要求1或2所述的基于飞轮储能的柔性交流输电系统，其特征在于：串联侧变换器(4)由全控型功率开关元件和电感电容低通滤波器构成，全控型功率开关元件组成第二三相全桥结构(11)，三相桥臂中点与串联变压器(3)的原方绕组通过三相电感电容低通滤波器(10)相连。
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