本發(fā)明屬于電力裝備，更具體地，涉及一種基于感應子電機的高慣量有功/無功快速強力補償及電網(wǎng)故障穩(wěn)定支撐裝備及控制方法、系統(tǒng)。

背景技術：

1、構(gòu)建以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)是國家發(fā)展的重大戰(zhàn)略。然而，光伏、風電等可再生能源的間歇性和波動性強，其大規(guī)模接入以及傳統(tǒng)火電的規(guī)模退出，可能引起電力系統(tǒng)的同步慣量水平不足、短路水平下降，最終導致電壓和頻率失穩(wěn)，若不能及時快速相應補償，將可能引起電網(wǎng)大停電故障。

2、傳統(tǒng)同步調(diào)相機僅能進行無功補償、解決電壓穩(wěn)定支撐的問題，對于系統(tǒng)同步慣量和頻率支撐基本無助力，其作用遠不及傳統(tǒng)同步發(fā)電機組。飛輪儲能技術具有高頻次、快響應和長壽命等優(yōu)勢，是解決電網(wǎng)高頻次頻率波動的有效方法。然而，傳統(tǒng)飛輪儲能技術難以提供瞬時的高過載大功率支撐，更沒有兼具無功功率補償功能，難以平抑高比例新能源電力系統(tǒng)中的電壓、頻率突然快速波動。

3、因此，為了平抑新能源電力系統(tǒng)中的電壓、頻率突然快速波動現(xiàn)象，防止電網(wǎng)發(fā)生因頻率和電壓失穩(wěn)導致的電網(wǎng)停電事故，實現(xiàn)對新能源電網(wǎng)的瞬時有功/無功快速補償，特別是實現(xiàn)對電網(wǎng)突發(fā)故障時的頻率/電壓快速強力穩(wěn)定支撐，有必要對傳統(tǒng)同步調(diào)相及飛輪儲能技術進行改進，傳統(tǒng)的電機難以兼具高儲能密度、高過載強脈沖功率輸出能力、靈活無功調(diào)節(jié)能力，無法為電力系統(tǒng)提供有效系統(tǒng)的抗功率波動和穩(wěn)定支撐能力。

技術實現(xiàn)思路

1、針對現(xiàn)有技術的空缺、不足或改進需求，本發(fā)明的目的在于提供一種基于感應子電機的高慣量有功/無功快速強力補償及電網(wǎng)故障穩(wěn)定支撐裝備及控制方法、系統(tǒng)，旨在實現(xiàn)對電網(wǎng)突發(fā)故障時的頻率/電壓快速強力穩(wěn)定支撐。

2、為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供了一種基于感應子電機的高慣量有功/無功快速強力補償及電網(wǎng)故障穩(wěn)定支撐裝備，實現(xiàn)對電網(wǎng)頻率電壓失穩(wěn)故障時的快速強力穩(wěn)定支撐，包括依次連接的飛輪、電機系統(tǒng)和升壓變壓器，所述電機系統(tǒng)包括感應子電機、四象限變流器、勵磁變流器和勵磁變壓器；

3、所述飛輪，與所述感應子電機同軸連接，用于提升機組的轉(zhuǎn)動慣量；

4、所述四象限變流器，與感應子電機的定子電樞繞組連接，通過控制定子旋轉(zhuǎn)磁場的頻率，改變定子電樞磁場的同步轉(zhuǎn)速，實現(xiàn)感應子電機變速運行，以向電網(wǎng)發(fā)出或吸收電能，進行有功功率的釋放與存儲；

5、所述勵磁變壓器，與所述升壓變壓器的低壓側(cè)和勵磁變流器相連接，用于為勵磁變流器提供三相交流勵磁電源；

6、所述勵磁變流器，與感應子電機的定子勵磁繞組連接，用于將三相交流勵磁電源的電壓轉(zhuǎn)化為直流勵磁電流，為感應子電機提供直流勵磁；

7、所述升壓變壓器，與所述電機系統(tǒng)和電網(wǎng)相連接，用于實現(xiàn)電機系統(tǒng)與電網(wǎng)間的電壓變換與電氣隔離。

8、所述感應子電機包括：定子結(jié)構(gòu)和轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，所述定子結(jié)構(gòu)包括：鐵芯、定子電樞繞組、定子勵磁繞組，其中定子鐵芯可分為左右兩部分，分別嵌入定子電樞繞組，兩段定子鐵芯中間放置環(huán)形勵磁繞組；所述轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)包括：實心轉(zhuǎn)子，通常由整段實心鋼構(gòu)成，分為結(jié)構(gòu)相同的左右兩部分，轉(zhuǎn)子左右兩部分凸極磁極的軸線相互錯開180°電角度。該轉(zhuǎn)子的整體合金鋼結(jié)構(gòu)，還有助于電機在快速功率補償運行時，增強轉(zhuǎn)子的瞬時阻尼作用，從而進一步提升電機定子電樞繞組的快速強力補償能力。本發(fā)明提供的感應子電機，其轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)特殊，一般采用實心高強度合金鋼材料整體鍛造，轉(zhuǎn)子上無任何附加零部件或裝置，轉(zhuǎn)子本體為凸極式結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)強度高、可靠性強，適合高速旋轉(zhuǎn)，有利于提升電機轉(zhuǎn)動系統(tǒng)的儲能密度與慣性時間常數(shù)，十分適合應用于飛輪儲能脈沖發(fā)電及有功補償?shù)葢脠龊?。同時，感應子電機雖采用在定子側(cè)的直流勵磁，但電機仍完全具有同步電機的運行特性，可通過調(diào)節(jié)勵磁電流來靈活調(diào)控電機的無功功率，具備同步調(diào)相機的無功功率調(diào)節(jié)能力。

9、有益效果：本發(fā)明提出了一種基于感應子電機的高慣量有功/無功快速強力補償及電網(wǎng)故障穩(wěn)定支撐裝備，通過調(diào)節(jié)勵磁變流器的電流幅值，或者調(diào)控四象限變流器的頻率，通過電機電磁轉(zhuǎn)矩的作用調(diào)控感應子電機，從而減少和避免電網(wǎng)突發(fā)故障時因電壓或頻率快速失穩(wěn)所引起的電網(wǎng)大停電事故，充分發(fā)揮感應子電機高儲能密度、高過載強脈沖功率輸出能力與靈活無功調(diào)節(jié)能力，從而提高系統(tǒng)的抗功率波動和穩(wěn)定支撐能力，保障電力系統(tǒng)運行穩(wěn)定、供電質(zhì)量和可靠性，是基于感應子電機的集同步調(diào)相、飛輪儲能有功補償、電網(wǎng)故障時快速強力穩(wěn)定支撐等多項功能于一體的新型裝備。

10、感應子電機可以根據(jù)實際需要選用磁懸浮軸承，以降低對軸承的重量壓力并減少摩擦損耗。

11、所述飛輪，可以是獨立于電機轉(zhuǎn)子本體之外的顯性飛輪，與電機轉(zhuǎn)子機械傳動同軸連接，顯著提升電機傳動系統(tǒng)的轉(zhuǎn)動慣量；也可以是與轉(zhuǎn)子本體合為一體的隱性飛輪，進一步提高系統(tǒng)的整體可靠性。

12、所述四象限變流器，與所述感應子電機定子電樞繞組連接，用于通過控制定子旋轉(zhuǎn)磁場的頻率，改變電機定子電樞磁場的同步轉(zhuǎn)速，實現(xiàn)電機變速運行，并實現(xiàn)電機向電網(wǎng)發(fā)出或吸收電能，進行有功功率的釋放與存儲。

13、所述勵磁變流器，通過整流回路與感應子電機定子勵磁繞組連接，實現(xiàn)直流勵磁，通過調(diào)節(jié)電機的勵磁電流，可以實現(xiàn)對電樞繞組向電網(wǎng)輸出無功功率性質(zhì)和大小的調(diào)控，平衡電網(wǎng)對無功的需求。

14、本發(fā)明還提供了一種上述基于感應子電機的高慣量有功/無功快速強力補償及電網(wǎng)故障穩(wěn)定支撐裝備的控制方法，包括以下步驟：

15、當電網(wǎng)出現(xiàn)電壓波動故障時，調(diào)節(jié)勵磁變流器的電流幅值，實現(xiàn)無功功率的快速補償，支撐電網(wǎng)電壓穩(wěn)定；

16、當電網(wǎng)出現(xiàn)頻率突然下降的故障時，調(diào)控四象限變流器的頻率使其主動降低，通過電機電磁轉(zhuǎn)矩的作用，調(diào)控感應子電機使其處于發(fā)電狀態(tài)，以實現(xiàn)電機的降速發(fā)電釋能運行，支撐電網(wǎng)的頻率穩(wěn)定；

17、當電網(wǎng)出現(xiàn)頻率突然上升的故障時，調(diào)控四象限變流器的頻率使其主動上升，通過電機電磁轉(zhuǎn)矩的作用，調(diào)控感應子電機使其處于電動狀態(tài)，以實現(xiàn)電機的升速電動儲能運行，支撐電網(wǎng)的頻率穩(wěn)定。

18、有益效果：通過增大感應子電機轉(zhuǎn)子或配置飛輪增大轉(zhuǎn)動系統(tǒng)的轉(zhuǎn)動慣量，通過提高轉(zhuǎn)速提升裝備的儲能密度和慣性時間常數(shù)，從而具備較長時間尺度儲能和對電力系統(tǒng)有功功率突發(fā)波動，特別是電網(wǎng)故障時的快速強功率(有功/無功)補償能力，等效提升新型電力系統(tǒng)的同步慣量，減輕或避免新型電力系統(tǒng)因火電退出所帶來的同步慣量不足、暫態(tài)穩(wěn)定支撐能力弱，所帶來的新型電力系統(tǒng)故障時易發(fā)頻率失穩(wěn)這一突出新難題；通過調(diào)節(jié)電機直流勵磁實現(xiàn)無功功率調(diào)控，從而具備對電力系統(tǒng)無功功率波動的瞬時抑制或補償能力，保有同步調(diào)相機無功補償?shù)哪芰?，以解決新型電力系統(tǒng)無功功率不平衡，電壓暫態(tài)支撐能力弱的問題?；诟袘与姍C的電網(wǎng)故障快速強力穩(wěn)定支撐裝備較傳統(tǒng)同步調(diào)相機取消了轉(zhuǎn)子繞組、電刷滑環(huán)等裝置，轉(zhuǎn)子上無任何組裝集成的零部件，結(jié)構(gòu)可靠耐用，同時兼具傳統(tǒng)同步調(diào)相機調(diào)相運行、飛輪儲能有功補償、快速有功/無功補償及慣量/穩(wěn)定性支撐等綜合功能，是突破新型電力系統(tǒng)電壓頻率失穩(wěn)問題的全創(chuàng)新重要關鍵技術和裝備支撐。

19、本發(fā)明還提供了一種基于感應子電機的高慣量有功/無功快速強力補償及電網(wǎng)故障穩(wěn)定支撐裝備的控制系統(tǒng)，包括：計算機可讀存儲介質(zhì)和處理器；

20、所述計算機可讀存儲介質(zhì)用于存儲可執(zhí)行指令；

21、所述處理器用于讀取所述計算機可讀存儲介質(zhì)中存儲的可執(zhí)行指令，執(zhí)行上述的控制方法。

22、通過本發(fā)明所構(gòu)思的以上技術方案，與現(xiàn)有技術相比，能夠取得以下

23、有益效果：

24、(1)本發(fā)明提供的基于感應子電機的高慣量有功/無功快速強力補償及電網(wǎng)故障穩(wěn)定支撐裝備，可以充分發(fā)揮感應子電機高強度轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)提升電機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速，進而提升裝置的儲能密度和慣性時間常數(shù)，從而具備較長時間尺度的儲能能力，對電網(wǎng)有功波動和頻率故障實現(xiàn)更長時的補償和穩(wěn)定支撐；通過調(diào)節(jié)勵磁變流器的電流幅值，或者調(diào)控四象限變流器的頻率，通過電機電磁轉(zhuǎn)矩的作用調(diào)控感應子電機，從而減少和避免電網(wǎng)突發(fā)故障時因電壓或頻率快速失穩(wěn)所引起的電網(wǎng)大停電事故，充分發(fā)揮感應子電機高儲能密度、高過載強脈沖功率輸出能力與靈活無功調(diào)節(jié)能力，從而提高系統(tǒng)的抗功率波動和穩(wěn)定支撐能力，從而應對電網(wǎng)故障。

25、(2)本發(fā)明提供的基于感應子電機的高慣量有功/無功快速強力補償及電網(wǎng)故障穩(wěn)定支撐裝備，可以充分發(fā)揮感應子電機的脈沖功率輸出特性與飛輪系統(tǒng)的大慣量特點，瞬時釋放或吸收大量有功功率，實現(xiàn)瞬時快速有功功率強力補償，從而有效抑制電力系統(tǒng)有功功率突發(fā)波動引起的頻率失穩(wěn)，實現(xiàn)對電網(wǎng)頻率與慣量的支撐，減少或避免電網(wǎng)故障時由頻率失穩(wěn)所造成的電力系統(tǒng)大停電事故，對新型電力系統(tǒng)提供快速強力穩(wěn)定支撐；

26、(3)本發(fā)明提供的基于感應子電機的高慣量有功/無功快速強力補償及電網(wǎng)故障穩(wěn)定支撐裝備，可以通過直流勵磁調(diào)節(jié)實現(xiàn)無功功率調(diào)控，具備對電力系統(tǒng)無功功率波動的瞬時抑制及補償能力。

27、(4)本發(fā)明是集同步調(diào)相機、飛輪儲能有功補償、電網(wǎng)故障時快速強力穩(wěn)定支撐等多項功能于一體的新型電力裝備，實現(xiàn)對電網(wǎng)增大同步慣量、快速有功無功補償，以及電網(wǎng)頻率/電壓故障失穩(wěn)時快速強力穩(wěn)定支撐。這對火電逐漸退出的新能源電力系統(tǒng)的功率快速補償和穩(wěn)定強力支撐至關重要，是抑制和避免電力系統(tǒng)故障時因電壓/頻率失穩(wěn)所造成的大停電事故的重要關鍵裝備與技術手段。