專利名稱：儲能調(diào)相電機的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于發(fā)電機、電動機及變換器的技術(shù)領(lǐng)域，用于電力系統(tǒng)調(diào)控，可以快速高效地儲存/釋放能量，平衡系統(tǒng)受擾后出現(xiàn)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。
背景技術(shù)：
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(chǎn)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(zhuǎn)子都必須以同樣的電角速度同步旋轉(zhuǎn)。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(gòu)成威脅，嚴重的功率失衡會導致系統(tǒng)崩潰，如發(fā)電機轉(zhuǎn)子之間失去同步，系統(tǒng)電壓急劇降低，甚至整個電網(wǎng)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(wǎng)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(xiàn)感性，因此，電網(wǎng)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(zhuǎn)換而成，轉(zhuǎn)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(diào)節(jié)汽門(汽輪機)或水門(水輪機)來完成，受現(xiàn)有發(fā)電設備固有特性的影響，有功功率的調(diào)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(chǎn)生。發(fā)電機的無功輸出大小可以通過調(diào)節(jié)勵磁電流實現(xiàn)。為實現(xiàn)大范圍的無功功率調(diào)控，現(xiàn)代電力系統(tǒng)中有一種稱為同步調(diào)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(wǎng)吸收其它的有功功率。但通過調(diào)節(jié)它的勵磁電流，就能按需要吸收或者發(fā)出無功電能。同步調(diào)相機的調(diào)節(jié)速度很快，通常在毫秒級水平。但現(xiàn)有的同步調(diào)相機只能進行無功功率的調(diào)控，對有功功率的調(diào)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?shù)耐鈬刂圃O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(jié)構(gòu)和接線方式，僅用作實驗裝置的脈沖電源，功能單一，無法完成所需完成的功能。
交流勵磁技術(shù)在抽水蓄能發(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(shù)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(shù)保證在風力變化而導致轉(zhuǎn)子非同步旋轉(zhuǎn)時，電機能夠發(fā)出同步頻率的電能。但是，這些電機都不具備在電網(wǎng)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。
可見，目前電力系統(tǒng)中的無功功率調(diào)控裝置多，調(diào)節(jié)速度快；有功功率調(diào)控裝置少，調(diào)節(jié)速度慢。為從本質(zhì)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(diào)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(nèi)容
本發(fā)明提供一種儲能調(diào)相電機，通過對現(xiàn)有的電力系統(tǒng)同步調(diào)相機結(jié)構(gòu)進行改進，增大轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動慣量用以儲存電能，使用時，采用可控交直流勵磁技術(shù)和微機監(jiān)控技術(shù)，使電機的電能能夠快速高效地儲存和釋放，即可構(gòu)成一種具有儲能、發(fā)電和調(diào)相等多種功能的電力柔性調(diào)控裝置。
本發(fā)明的一種儲能調(diào)相電機，定子和轉(zhuǎn)子均由三相對稱繞組組成，磁路/電路對稱，定轉(zhuǎn)子間具有均勻的氣隙，轉(zhuǎn)子繞組電流通過安裝在轉(zhuǎn)子上的滑環(huán)饋入，定子繞組和電力系統(tǒng)相連；其特征是(1)電機轉(zhuǎn)子鐵芯采用疊片式結(jié)構(gòu)；(2)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動慣量很大、或者裝設轉(zhuǎn)動慣量很大的飛輪，其值是同等容量常規(guī)同步調(diào)相機的2倍以上，因此在旋轉(zhuǎn)時具有很高的慣性儲能；(3)電機轉(zhuǎn)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(jù)調(diào)相和儲能的要求進行調(diào)節(jié)，在直流勵磁時，電機工作在同步調(diào)相狀態(tài)，在交流勵磁時，使電機的轉(zhuǎn)子運行在非同步旋轉(zhuǎn)狀態(tài)，定子磁勢和轉(zhuǎn)子合成磁勢仍能保持空間相對靜止，從而根據(jù)運行需要實現(xiàn)機械能和電能的轉(zhuǎn)換和有功功率的調(diào)節(jié)。
所述的儲能調(diào)相電機，其進一步特征為其采用立式結(jié)構(gòu)，在電機轉(zhuǎn)子飛輪下表面和支撐面上，可分別裝設極性相同的永磁體，以產(chǎn)生相互排斥的磁力；在飛輪上表面與蓋板上加裝極性相反的永磁體，以產(chǎn)生使飛輪向上的提升力。
所述的儲能調(diào)相電機，轉(zhuǎn)子的飛輪部分可以做成封閉結(jié)構(gòu)，在轉(zhuǎn)子飛輪和支撐面之間，可以加裝對飛輪起輔助支撐作用的滾動支撐體；轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)軸上可以裝有永磁體構(gòu)成的非接觸式導向軸承；電機轉(zhuǎn)軸上可以配置有輔助該電機起動的小型電動機。
本發(fā)明所構(gòu)成的電力柔性調(diào)控裝置，由儲能調(diào)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(diào)控裝置的有功功率調(diào)控功能的實現(xiàn)主要依靠儲能調(diào)相電機轉(zhuǎn)子快速高效可控的儲能能力。其基本原理是儲能調(diào)相電機工作時，其高速旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子實際上就是一個機械儲能系統(tǒng)，設電機轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動慣量為J，機械角速度為ω，則轉(zhuǎn)子中儲存的能量為 改變其轉(zhuǎn)速就可以改變儲能的大小。
儲能調(diào)相電機的勵磁電源為與電網(wǎng)并聯(lián)的全控雙脈沖寬度調(diào)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。
微機勵磁控制系統(tǒng)是電力柔性調(diào)控裝置的神經(jīng)中樞，它主要對電力柔性調(diào)控裝置進行監(jiān)視和控制，根據(jù)電力系統(tǒng)運行的需要，實現(xiàn)對電網(wǎng)有功功率和無功功率的快速高效可靠地調(diào)控。
電力柔性調(diào)控裝置并網(wǎng)運行時，儲能調(diào)相電機定子側(cè)與頻率為f1的電網(wǎng)相連，定子三相繞組電流形成相對定子以同步轉(zhuǎn)速n1旋轉(zhuǎn)的磁勢F1&，旋轉(zhuǎn)磁場的角頻率為ω1。若轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速為nr，角頻率為ωr；同時在轉(zhuǎn)子三相繞組中注入頻率為f2的三相對稱電流，它將產(chǎn)生相對于轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速為n2的合成旋轉(zhuǎn)磁勢F2&，形成相對于轉(zhuǎn)子角頻率為ω2的旋轉(zhuǎn)磁場。
根據(jù)交流電機工作原理，轉(zhuǎn)子磁勢F2&與定子磁勢F1&在空間必須保持相對靜止，才能實現(xiàn)機電能量轉(zhuǎn)換。轉(zhuǎn)子磁勢F2&相對于定子的電角頻率為ω2+ωr，因此，電網(wǎng)的電角頻率、轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)的電角頻率和轉(zhuǎn)子交流勵磁合成旋轉(zhuǎn)磁勢電角頻率之間必須滿足如下關(guān)系ωr＝ω1-ω2。可見，改變勵磁電流的頻率，就可以改變?nèi)嵝噪姍C轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速，實現(xiàn)轉(zhuǎn)子機械能與電能之間相互轉(zhuǎn)換的目的。
因此，由本發(fā)明構(gòu)成的電力柔性調(diào)控裝置不但具有調(diào)控無功功率的能力，而且還能以機械能與電能相互轉(zhuǎn)換的方式，快速高效地平衡系統(tǒng)中出現(xiàn)的不平衡有功功率。當電力系統(tǒng)出現(xiàn)擾動時，就可以從有功功率和無功功率兩方面同時進行調(diào)控，系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性將得到極大的提高。
本發(fā)明構(gòu)成的電力柔性調(diào)控裝置綜合具有儲能、發(fā)電和調(diào)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(diào)試、運行、維護等方面可以借鑒目前廣泛使用的同步調(diào)相機的經(jīng)驗，有利于在電力系統(tǒng)中得到快速、廣泛應用。


圖1為一種立式結(jié)構(gòu)儲能調(diào)相電機示意圖；圖2為另一種立式結(jié)構(gòu)儲能調(diào)相電機示意圖；圖3所示為本發(fā)明構(gòu)成的電力柔性調(diào)控裝置總體結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實施例方式
儲能調(diào)相電機根據(jù)具體需要可以采用立式或臥式結(jié)構(gòu)，一般多采用立式結(jié)構(gòu)。圖1是一種立式結(jié)構(gòu)的50MVA儲能調(diào)相電機實施狀態(tài)示意圖。電機定子鐵心和三相繞組3固定在防護罩11內(nèi)，轉(zhuǎn)子鐵心和三相繞組4通過轉(zhuǎn)子支架5與轉(zhuǎn)軸14固定連接，轉(zhuǎn)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(zhuǎn)軸14上端連接滑環(huán)及電刷裝置2以通入勵磁電流；轉(zhuǎn)軸14下段裝設轉(zhuǎn)動慣量很大的飛輪6，轉(zhuǎn)動慣量值為同等容量調(diào)相機轉(zhuǎn)動慣量的8倍；轉(zhuǎn)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(jié)構(gòu)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(chǎn)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(chǎn)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(zhuǎn)動體起輔助支撐作用的滾動支撐體10；電機轉(zhuǎn)軸上還可以配置有輔助該電機起動的小型電動機，也可以是空載的，即轉(zhuǎn)軸上沒有相連接的其它機械；電機轉(zhuǎn)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(jié)構(gòu)的10MVA儲能調(diào)相電機實施狀態(tài)示意圖，其中轉(zhuǎn)動慣量很大的轉(zhuǎn)子本體18裝設于轉(zhuǎn)子支架5上，轉(zhuǎn)動慣量值為同等容量調(diào)相機轉(zhuǎn)動慣量的4倍；在轉(zhuǎn)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(chǎn)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(jié)構(gòu)，亦可省去下導軸承。
圖3所示為本發(fā)明構(gòu)成的電力柔性調(diào)控裝置總體結(jié)構(gòu)示意圖勵磁電源采用功率可雙向流動的PWM整流-PWM逆變形式的全控雙PWM變頻器，它的一端與儲能調(diào)相電機定子三相繞組(電網(wǎng))并聯(lián)，另一端接儲能調(diào)相電機轉(zhuǎn)子三相勵磁繞組，如圖3所示。電網(wǎng)側(cè)PWM變換器采用電網(wǎng)電壓矢量定向控制技術(shù)，在獲得有功功率和無功功率獨立控制的同時，保證了網(wǎng)側(cè)電流的正弦性。轉(zhuǎn)子側(cè)PWM變換器采用定子磁場定向控制技術(shù)，在轉(zhuǎn)速大范圍變化的運行條件下，可獲得定子側(cè)有功功率和無功功率的解耦控制。因此，勵磁電源在微機勵磁控制系統(tǒng)的控制下，根據(jù)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(zhuǎn)子側(cè)PWM變換器控制所需要的檢測量包括定子電壓、定子電流、轉(zhuǎn)子電流以及轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(diào)節(jié)得到轉(zhuǎn)子電流qd軸電流指令，再與由檢測到的轉(zhuǎn)子電流通過坐標變換后得到的反饋值進行PI調(diào)節(jié)，并考慮實際系統(tǒng)中電機dq軸電流所產(chǎn)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(zhuǎn)子的dq軸指令電壓，并經(jīng)過坐標變換得到轉(zhuǎn)子三相參考電壓作為轉(zhuǎn)子側(cè)PWM變換器的控制指令，從而控制轉(zhuǎn)子交直流勵磁電流。
電網(wǎng)側(cè)PWM變換器實質(zhì)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(wǎng)側(cè)PWM控制所需的檢測量包括網(wǎng)側(cè)輸入電流，電網(wǎng)電壓以及直流母線電壓。由于電網(wǎng)側(cè)PWM變換器的控制比較成熟，其具體的調(diào)節(jié)過程不再詳細說明。
微機勵磁控制系統(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(wǎng)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(diào)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(diào)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(jù)采集到的儲能調(diào)相電機定子和轉(zhuǎn)子的電壓電流信號以及轉(zhuǎn)子的位置和速度信息，按照選定的控制策略，結(jié)合上層控制器的控制指令，計算出儲能調(diào)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(shù)字信號處理器DSP為CPU進行設計。
底層控制根據(jù)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(cè)和轉(zhuǎn)子側(cè)的PWM變換器的定向矢量控制，使儲能調(diào)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(diào)控裝置高效運行的保證。在勵磁系統(tǒng)的控制下，儲能調(diào)相電機有三種主要運行方式，即調(diào)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(diào)相電機應處于調(diào)相運行方式，此時它相當于一臺同步調(diào)相機，可以向系統(tǒng)輸出或從系統(tǒng)吸收無功功率，轉(zhuǎn)子以同步速度或異步速度旋轉(zhuǎn)，設電機轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動慣量為J，機械角速度為ω，則轉(zhuǎn)子中儲存了大小為 的機械能。
如果系統(tǒng)發(fā)生擾動，電網(wǎng)的頻率將發(fā)生變化，儲能調(diào)相電機與電網(wǎng)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(diào)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(wǎng)有功功率過剩，則調(diào)節(jié)勵磁電流，使轉(zhuǎn)子合成磁勢滯后于定子磁勢一個合適的角度，儲能調(diào)相電機將從系統(tǒng)中吸收有功功率，轉(zhuǎn)子將加速，從而將過剩的有功功率轉(zhuǎn)換成轉(zhuǎn)子的機械能。
(b)如果電網(wǎng)有功功率缺乏，則調(diào)節(jié)勵磁電流，使轉(zhuǎn)子合成磁勢超前于定子磁勢一個合適的角度，儲能調(diào)相電機將向系統(tǒng)輸出有功功率，轉(zhuǎn)子將減速，從而將轉(zhuǎn)子的機械能轉(zhuǎn)換成電能。
需要指出的是，當儲能調(diào)相電機運行于儲能方式或發(fā)電方式時，可以同時進行調(diào)相控制。
權(quán)利要求
1.一種儲能調(diào)相電機，定子和轉(zhuǎn)子均由三相對稱繞組組成，磁路/電路對稱，定轉(zhuǎn)子間具有均勻的氣隙，轉(zhuǎn)子繞組電流通過安裝在轉(zhuǎn)子上的滑環(huán)饋入，定子繞組和電力系統(tǒng)相連；其特征是(1)電機轉(zhuǎn)子鐵芯采用疊片式結(jié)構(gòu)；(2)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動慣量很大、或者裝設轉(zhuǎn)動慣量很大的飛輪，其值是同等容量常規(guī)同步調(diào)相機的2倍以上，因此在旋轉(zhuǎn)時具有很高的慣性儲能；(3)電機轉(zhuǎn)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(jù)調(diào)相和儲能的要求進行調(diào)節(jié)，在直流勵磁時，電機工作在同步調(diào)相狀態(tài)，在交流勵磁時，使電機的轉(zhuǎn)子運行在非同步旋轉(zhuǎn)狀態(tài)，定子磁勢和轉(zhuǎn)子合成磁勢仍能保持空間相對靜止，從而根據(jù)運行需要實現(xiàn)機械能和電能的轉(zhuǎn)換和有功功率的調(diào)節(jié)。
2.如權(quán)利要求1所述的儲能調(diào)相電機，其特征為其采用立式結(jié)構(gòu)，在電機轉(zhuǎn)子飛輪下表面和支撐面上，分別裝設極性相同的永磁體，以產(chǎn)生相互排斥的磁力；在飛輪上表面與蓋板上加裝極性相反的永磁體，以產(chǎn)生使飛輪向上的提升力。
3.如權(quán)利要求1或2所述的儲能調(diào)相電機，轉(zhuǎn)子的飛輪部分為封閉結(jié)構(gòu)，在轉(zhuǎn)子飛輪和支撐面之間，加裝對飛輪起輔助支撐作用的滾動支撐體；轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)軸上裝有永磁體構(gòu)成的非接觸式導向軸承；電機轉(zhuǎn)軸上配置有輔助該電機起動的小型電動機。
全文摘要
儲能調(diào)相電機，屬于發(fā)電機、電動機及變換器的技術(shù)領(lǐng)域，通過對同步調(diào)相機結(jié)構(gòu)進行改進，增大轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動慣量用以儲存能量，其定子和轉(zhuǎn)子均由三相對稱繞組組成，轉(zhuǎn)子繞組電流通過滑環(huán)饋入，定子繞組和電力系統(tǒng)相連；轉(zhuǎn)子鐵芯采用疊片式結(jié)構(gòu)；轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動慣量很大、或者裝設轉(zhuǎn)動慣量很大的飛輪，其值是同等容量常規(guī)同步調(diào)相機的2倍以上；電機轉(zhuǎn)子的勵磁電流為外加的可控三相交直流勵磁電流。本發(fā)明構(gòu)成的電力柔性調(diào)控裝置具有儲能、發(fā)電和調(diào)相功能，可使系統(tǒng)靜態(tài)、暫態(tài)和電壓穩(wěn)定性都得到極大改善；本發(fā)明在設計、制造、安裝、調(diào)試、運行、維護等方面可以借鑒目前廣泛使用的同步調(diào)相機的經(jīng)驗，有利于在電力系統(tǒng)中得到快速、廣泛應用。
文檔編號H02K17/26GK1595772SQ20041001346
公開日2005年3月16日 申請日期2004年7月14日 優(yōu)先權(quán)日2004年7月14日
發(fā)明者潘垣, 程時杰, 于克訓, 康勇, 文勁宇, 段獻忠, 王少榮 申請人:華中科技大學