儲能調相電機

1.一種儲能調相電機，定子和轉子均由三相對稱繞組組成，磁路和電路均各自對稱，定轉子間具有均勻的氣隙，轉子繞組電流通過安裝在轉子上的滑環(huán)饋入，定子繞組和電力系統(tǒng)相連；其特征是： 電機轉子鐵芯采用疊片式結構； 轉子轉動慣量很大、或者裝設轉動慣量很大的飛輪，轉子轉動慣量或者裝設飛輪后的轉子和飛輪的轉動慣量之和是電力系統(tǒng)同等容量同步調相電機的2倍以上，因此在旋轉時具有很高的慣性儲能； 電機轉子的勵磁電流為外加的可控三相交直流勵磁電流，勵磁電流的幅值、頻率和相序都可以根據調相和儲能的要求進行調節(jié)，在直流勵磁時，電機工作在同步調相狀態(tài)，在交流勵磁時，使電機的轉子運行在非同步旋轉狀態(tài)，定子磁勢和轉子合成磁勢仍能保持空間相對靜止，從而根據運行需要實現機械能和電能的轉換和有功功率的調節(jié)。
2. 如權利要求1所述的儲能調相電機，其特征為其采用立式結構， 在電機轉子飛輪下表面和位于飛輪下方的支撐盤的上表面上，分別裝 設極性相同的永磁體，以產生相互排斥的磁力；在飛輪上表面與飛輪 上方的蓋板上加裝極性相反的永磁體，以產生使飛輪向上的提升力。
3. 如權利要求1或2所述的儲能調相電機，轉子的飛輪部分為封閉結構，在轉子飛輪和位于飛輪下方的支撐盤的上表面之間，加裝對飛輪起輔助支撐作用的滾動支撐體;轉子轉軸上裝有永磁體構成的非接 觸式導向軸承；轉子轉軸的一端配置有輔助該電機起動的小型電動 機。

慷齷鵬電機技賴域本發(fā)明屬于發(fā)電機、電動機及變換器的技術領域，用于電力系統(tǒng) 調控，可以快速高效地儲存/釋放能量，平衡系統(tǒng)受擾后出現的不平 衡功率，增強電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性；該電機同時還可以快速提供無功補 償，穩(wěn)定系統(tǒng)電壓。豫暴技術電力系統(tǒng)是一個由發(fā)電、輸電、配電和用電設備組成的統(tǒng)一整體， 由于目前電力系統(tǒng)中沒有大容量快速存取電能的設備，電能的生產和 消費必須時刻保持在功率平衡狀態(tài)，所有的發(fā)電機轉子都必須以同樣 的電角速度同步旋轉。 一旦系統(tǒng)受到擾動（如設備故障）就會引發(fā)系 統(tǒng)的功率失衡，可能對系統(tǒng)的穩(wěn)定性構成威脅，嚴重的功率失衡會導 致系統(tǒng)崩潰，如：發(fā)電機轉子之間失去同步，系統(tǒng)電壓急劇降低，甚 至整個電網停電。電力系統(tǒng)中的功率平衡包括有功功率平衡和無功功率平衡。這是 因為電力系統(tǒng)的負載主要是感應電動機，它們在正常工作時既要從電 網中吸收有功功率，又要吸收無功功率，其它的用電設備，如照明燈 具等，也都呈現感性，因此，電網中既要輸送有功功率，又要輸送有 無功功率。 有功功率只能由其它形式的能源（如：煤、水或核能等）轉換而 成，轉換過程是由發(fā)電機完成的。發(fā)電機的有功輸出大小可以通過調 節(jié)汽門（汽輪機）或水門（水輪機）來完成，受現有發(fā)電設備固有特 性的影響，有功功率的調控速度較慢，通常在秒級水平。無功功率可以由發(fā)電機發(fā)出，也可以由容性電力設備(如電容器、靜止無功補償器SVC等）產生。發(fā)電機的無功輸出大小可以通過調 節(jié)勵磁電流實現。為實現大范圍的無功功率調控，現代電力系統(tǒng)中有 一種稱為同步調相機的裝置，它實際上是一種不帶有功負載的同步電 動機，除供應電機本身的有功損耗外，這種電機并不從電網吸收其它 的有功功率。但通過調節(jié)它的勵磁電流，就能按霈要吸收或者發(fā)出無功電能。同步調相機的調節(jié)速度很快，通常在亳秒級水平。但現有的 同步調相機只能進行無功功率的調控，對有功功率的調控無能為力。目前已提出超導磁儲能等儲能方法，超導磁儲能裝置利用超導體 的零電阻特性工作，配以恰當的外圍控制設備，雖然也可以具有有功 電能快速存取的功能，但它對工作環(huán)境有苛刻的要求，裝置的造價和 維護費用都非常高，目前還無法大規(guī)模應用。電物理實驗裝置用的脈 沖發(fā)電機組，雖然具有飛輪儲能，但由于其結構和接線方式，僅用作 實驗裝置的脈沖電源，功能單一，無法完成所霈完成的功能。交流勵磁技術在袖水蓄能發(fā)電機、風力發(fā)電機等電機中應用普 遍。在抽水蓄能發(fā)電機上，交流勵磁技術保證該電機可以發(fā)電/電動 兩用；在風力發(fā)電機上，交流勵磁技術保證在風力變化而導致轉子非 同步旋轉時，電機能夠發(fā)出同步頻率的電能。但是，這些電機都不具\n備在電網動態(tài)過程中吸收或提供有功功率以平息功率振蕩的功能?？梢?，目前電力系統(tǒng)中的無功功率調控裝置多，調節(jié)速度快；有功功率調控裝置少，調節(jié)速度慢。為從本質上提高電力系統(tǒng)運行的穩(wěn) 定性，快速高效的有功功率調控裝置是必不可少的設備，而目前電力 系統(tǒng)還沒有這樣的設備。本發(fā)明正是在這樣的背景下提出的。 發(fā)明內容本發(fā)明提供一種儲能調相電機，通過對現有的電力系統(tǒng)同步調相 機結構進行改進，增大轉子的轉動慣量用以儲存電能，使用時，采用 可控交直流勵磁技術和微機監(jiān)控技術，使電機的電能能夠快速高效地 儲存和釋放，即可構成一種具有儲能、發(fā)電和調相等多種功能的電力 柔性調控裝置。本發(fā)明的一種儲能調相電機，定子和轉子均由三相對稱繞組組 成，磁路和電路均各自對稱，定轉子間具有均勻的氣隙，轉子繞組電流通過安裝在轉子上的滑環(huán)饋入，定子繞組和電力系統(tǒng)相連；其特征 是：電機轉子鐵芯采用疊片式結構；轉子轉動慣量很大、或者裝設轉動慣量很大的飛輪，轉子轉動慣 量或者裝設飛輪后的轉子和飛輪的轉動慣量之和是電力系統(tǒng)同等容 量同步調相電機的2倍以上，因此在旋轉時具有很高的慣性儲能；電機轉子的勵磁電流為外加的可控三相交直流勵磁電流，勵磁電 流的幅值、頻率和相序都可以根據調相和儲能的要求進行調節(jié)，在直 流勵磁時，電機工作在同步調相狀態(tài)，在交流勵磁時，使電機的轉子 運行在非同步旋轉狀態(tài)，定子磁勢和轉子合成磁勢仍能保持空間相對\n靜止，從而根據運行需要實現機械能和電能的轉換和有功功率的調"P。所述的儲能調相電機，其進一步特征為其采用立式結構，在電機 轉子飛輪下表面和位于飛輪下方的支撐盤的上表面上，可分別裝設極 性相同的永磁體，以產生相互排斥的磁力；在飛輪上表面與飛輪上方 的蓋板上加裝極性相反的永磁體，以產生使飛輪向上的提升力。所述的儲能調相電機，轉子的飛輪部分可以做成封閉結構，在轉 子飛輪和位于飛輪下方的支撐盤的上表面之間，可以加裝對飛輪起輔 助支撐作用的滾動支撐體；轉子轉軸tl可以裝有永磁體構成的非接觸 式導向軸承；轉子轉軸的一端配置有輔助該電機起動的小型電動機。本發(fā)明所構成的電力柔性調控裝置，由儲能調相電機和勵磁系統(tǒng) 組成，勵磁系統(tǒng)包括勵磁電源和微機勵磁控制系統(tǒng)。電力柔性調控裝置的有功功率調控功能的實現主要依靠儲能調 相電機轉子快速高效可控的儲能能力。其基本原理是：儲能調相電機 工作時，其高速旋轉的轉子實際上就是一個機械儲能系統(tǒng)，設電機轉^子的轉動慣量為J，機械角速度為w，則轉子中儲存的能量為l為2，2改變其轉速就可以改變儲能的大小。儲能調相電機的勵磁電源為與電網并聯(lián)的全控雙脈沖寬度調制(Pulse Width Modulation, PWM)變換器型交直交變頻電源，兩個變換器均采用矢量控制，在微機勵磁控制系統(tǒng)的控制下，提供所需幅值、頻率和相序的勵磁電流。微g勵磁巷制系統(tǒng)是電力柔性調控裝置的神錄,'樞,..^^藥財電 力柔性調控裝置迸行監(jiān)視和控制，根據電力系統(tǒng)運行的霈,，實現對電網有功功率和無功功率的快速高效可靠地調控。電力柔性調控裝置并網運行時，儲能調相電機定子側與頻率為y; 的電網相連，定子三相繞組電流形成相對定子以同步轉速》，旋轉的磁 勢碎，旋轉磁場的角頻率為必,。若轉子的轉速為?，角頻率為^;同 時在轉子三相繞組中注入頻率為/2的三相對稱電流，它將產生相對f 轉子轉速為?的合成旋轉磁勢^，形成相對于轉子角頻率為^的旋 轉磁場。根據交流電機工作原理，轉子磁勢if與定子磁勢碎在空間必須保 持相對靜止，才能實現機電能意轉換。轉子磁勢種相對于定子的電角 頻率為《2+^,因此，電網的電角頻率、轉子旋轉的電角頻率和轉子交流勵磁合成旋轉磁勢電角頻率之間必須滿足如下關系：A -必,-必2。可見，改變勵磁電流的頻率，就可以改變柔性電機轉子的轉速，實現 轉子機械能與電能之間相互轉換的目的。因此，由本發(fā)明構成的電力柔性調控裝置不但具有調控無功功率 的能力，而且還能以機械能與電能相互轉換的方式，快速高效地平衡 系統(tǒng)中出現的不平衡有功功率。當電力系統(tǒng)出現擾動時，就可以從有 功功率和無功功率兩方面同時進行調控，系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性將得到極大的提高。本發(fā)明構成的電力柔性調控裝置綜合具有儲能、發(fā)電和調相的功 能，可以使系統(tǒng)的靜態(tài)穩(wěn)定性、暫態(tài)穩(wěn)定性和電壓穩(wěn)定性都得到極大的改善；而且，本發(fā)明在設計、制造、安裝、調試、運行、維護等方 面可以借鑒目前廣泛使用的同步調相機的經驗，有利于在電力系統(tǒng)中\(zhòng)n得到快速、廣泛應用。圖1為一種立式結構儲能調相電機示意圖；圖2為另一種立式結構儲能調相電機示意圖；圖3所示為本發(fā)明構成的電力柔性調控裝置總體結構示意圖。具IM錄方式儲能調相電機根據具體需要可以采用立式或臥式結構， 一般多采 用立式結構。圖1是一種立式結構的50MVA儲能調相電機實施狀態(tài) 示意圖。電機定子鐵心和三相繞組3固定在防護翠11內，轉子鐵心 和三相繞組4通過轉子支架5與轉軸14固定連接，轉軸由上導軸承 1和下導軸承15支撐，上導軸承1和下導軸承15可為接觸式常規(guī)軸 承、也可為非接觸式永磁體導向軸承；轉軸14上端連接滑環(huán)及電刷 裝置2以通入勵磁電流；轉軸14下段裝設轉動慣量很大的飛輪6, 轉動慣量值為同等容量調相機轉動慣量的8倍；轉軸14下底端裝設 推力軸承7;飛輪部分通過密封圈12和密封蓋板13形成的密封結構 密封；在飛輪6下表面和支撐面上，分別裝設若干極性相同的永磁體 8和9,以產生相互排斥的磁力，排斥力為40噸/平方米；在飛輪上 表面與蓋板上也可以加裝極性相反的永磁體16和永磁體17，以產生 使飛輪向上的提升力，提升力為40噸/平方米；在飛輪和支撐面之間. 可以加裝對轉動體起輔助支撐作用的滾動支撐體10;電機轉軸上還 動的小型電動機，也可以是空載的，即轉軸 上沒有相連接的其它機械；電機轉子的勵磁電流為外加的可控三相交 直流勵磁電流。圖2是另一種立式結構的10MVA儲能調相電機實施狀態(tài)示意 圖，其中轉動慣量很大的轉子本體18裝設于轉子支架5上，轉動慣 量值為同等容量調相機轉動慣量的4倍；在轉子本體18下表面和支 撐面上，分別裝設若干極性相同的永磁體8和9，以產生相互排斥的 磁力，排斥力為40噸/平方米；無需另外的密封結構，亦可省去下導軸承o圖3所示為本發(fā)明構成的電力柔性調控裝置總體結構示意圖：勵磁電源采用功率可雙向流動的PWM整流一PWM逆變形式的 全控雙PWM變頻器，它的一端與儲能調相電機定子三相繞組（電網） 并聯(lián)，另一端接儲能調相電機轉子三相勵磁繞組，如圖3所示。電網 側PWM變換器采用電網電壓矢量定向控制技術，在獲得有功功率和 無功功率獨立控制的同時，保證了網側電流的正弦性。轉子側PWM 變換器采用定子磁場定向控制技術，在轉速大范圍變化的運行條件 下，可獲得定子側有功功率和無功功率的解耦控制。因此，勵磁電源 在徼機勵磁控制系統(tǒng)的控制下，根據電力系統(tǒng)運行需要，可以快速發(fā) 出或者吸收有功功率和無功功率，響應時間可以控制在毫秒級。轉子側PWM變換器控制所需要的檢測量包括定子電壓、定子電 流、轉子電流以及轉子位置角，控制過程如下：由檢測到的定子電壓 和電流，通過坐標變換，在兩相靜止坐標系中，由電壓模型計算出定 子磁鏈幅值和定子磁通角，并和檢測到的轉子空間位置角用于控制系 統(tǒng)進行坐標變換。定子有功功率指令和無功功率指令與由檢測到的定 子電壓和定子電流通過坐標變換后計算得出的實際有功功率和無功 功率反饋值進行PI調節(jié)得到轉子電流qd軸電流指令，再與由檢測到 的轉子電流通過坐標變換后得到的反饋值進行PI調節(jié)，并考慮實際 系統(tǒng)中電機dq軸電流所產生的交叉耦合電壓的影響，采用一定的解 耦合控制，最終得到轉子的dq軸指令電壓，并經過坐標變換得到轉 子三相參考電壓作為轉子側PWM變換器的控制指令，從而控制轉子 交直流勵磁電流。電網側PWM變換器實質是一個三相電壓源型PWM高頻整流 器，可工作在整流和回饋兩種工況。電網倒PWM控制所霈的檢測量 包括網側輸入電流，電網電壓以及直流母線電壓。由于電網側PWM, 變換器的控制比較成熟，其具體的調節(jié)過程不再詳細說明。徼機勵磁控制系統(tǒng)采用分層的控制方式，分成上層、中層和底層 控制。上層控制主要采集電網的信息，進行系統(tǒng)穩(wěn)定性的計算以確定系 統(tǒng)當前運行狀態(tài)；或者接受上級調度的指令，執(zhí)行相應的操作。上層 控制的另一主要功能是對整個電力柔性調控裝置進行監(jiān)視，確保裝置 運行在正常的工作狀態(tài)。上層控制器可采用功能強大的工業(yè)控制微機 進行設計。中層控制主要根據采集到的儲能調相電機定子和轉子的電壓電\n流信號以及轉子的位置和速度信息，按照選定的控制策略，結合上層 控制器的控制指令，計算出儲能調相電機所需輸出的有功功率和無功功率。中層控制器可采用高性能的數字信號處理器DSP為CPU進行 設計。底層控制根據中層控制提供的有功功率和無功功率定值，實施上 述的定子側和轉子側的PWM變換器的定向矢量控制，使儲能調相電 機輸出指定的有功功率和無功功率。底層控制器可采用電機控制專用 DSP芯片為CPU進行設計。正確的控制策略是電力柔性調控裝置高效運行的保證。在勵磁系統(tǒng)的控制下，儲能調相電機有三種主要運行方式，即：調相運行方式、儲能運行方式和發(fā)電運行方式。當電力系統(tǒng)處于無擾動的穩(wěn)態(tài)運行工況時，儲能調相電機應處于 調相運行方式，此時它相當于一臺同步調相機，可以向系統(tǒng)輸出或從 系統(tǒng)吸收無功功率，轉子以同步速度或異步速度旋轉，設電機轉子的 轉動慣量為J,機械角速度為必，則轉子中儲存了大小為lj^的機械能。如果系統(tǒng)發(fā)生擾動，電網的頻率將發(fā)生變化，儲能調相電機與電 網連接點處的有功功率和無功功率將發(fā)生振蕩，如果這種振蕩得不到 有效的控制，系統(tǒng)最終有可能失去穩(wěn)定。為了盡快平息這種振蕩，使 系統(tǒng)盡快進入新的穩(wěn)定狀態(tài)，應使儲能調相電機進入儲能運行方式或發(fā)電運行方式，具體如下：(a)如果電網有功功率過剩，則調節(jié)勵磁電流，使轉子合成磁勢滯\n后于定子磁勢一個合適的角度，儲能調相電機將從系統(tǒng)中吸收 有功功率，轉子將加速，從而將過剩的有功功率轉換成轉子的\n機械能。\n(b)如果電網有功功率缺乏，則調節(jié)勵磁電流，使轉子合成磁勢超 前于定子磁勢一個合適的角度，儲能調相電機將向系統(tǒng)輸出有 功功率，轉子將減速，從而將轉子的機械能轉換成電能。 霈要指出的是，當儲能調相電機運行于儲能方式或發(fā)電方式時， 可以同時進行調相控制。