飞轮储能调频调相系统

本发明涉及电网稳定性控制，具体涉及一种飞轮储能调频调相系统。

背景技术：

1、同步调相机是一种运行在特殊状态下的同步发电机，当其被应用于电力系统时，可根据系统的需要提供无功功率支撑以维持电压，提高电力系统的稳定性，改善系统供电质量。飞轮储能技术是一种新兴电能存储技术，通过在低摩擦环境中高速旋转的转子来存储动能，具有大功率、快响应、高频次、长寿命的特点，有着广阔的应用前景。

2、现有同步调相机主要利用其无功支撑作用实现电网电压支撑，同时其转子存储的动能有助于提高电力系统的总惯性，因而从频率稳定的角度来说也有积极作用。但因同步调相机的转子惯量过低，无法为电网提供足够的惯量支撑，加之其发出的有功功率不可控制，故无法实现对电网调频的功能。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种飞轮储能调频调相系统，以解决上述背景技术中存在的至少一项技术问题。

2、为了实现上述目的，本发明采取了如下技术方案：

3、本发明提供一种飞轮储能调频调相系统，包括：

4、飞轮储能系统，飞轮储能系统中的飞轮与电磁耦合器的内转子连接；

5、电磁耦合器外转子与同步发电机的转子连接；

6、同步发电机的定子绕组并入电网，电磁耦合器的外转子绕组通过变流器接入电网；

7、有功功率控制器，用于通过控制所述同步发电机的转子的输入转矩来控制同步发电机的有功功率，从而调整输入电网的有功功率；

8、无功功率控制器，用于通过控制所述同步发电机的励磁电压来控制同步发电机的无功功率，从而调整输入电网的无功功率。

9、可选的，电磁耦合器的外转子与同步发电机的转子之间、或飞轮与电磁耦合器的内转子之间串接变速器，用于改变飞轮的转速范围。

10、可选的，有功功率控制器包括外环控制单元和内环控制单元；所述外环控制单元，用于输出控制有功功率的转矩给定值、控制飞轮转速的转矩给定值、控制转动惯量的转矩给定值、控制阻尼的转矩给定值和控制一次调频的转矩给定值，相互叠加后为总的转矩给定值；所述内环控制单元，用于通过变流器控制电磁耦合器外转子的电流来控制电磁耦合器外转子的转矩，使其达到转矩给定值。

11、可选的，所述外环控制单元包括有功功率外环控制、转速外环控制、转动惯量外环控制、阻尼外环控制和一次调频外环控制；所述有功功率外环控制用于输出控制有功功率的转矩给定值，所述转速外环控制用于输出控制飞轮转速的转矩给定值，所述的转动惯量外环控制用于控制同步发电机对外的等效转动惯量，所述的阻尼外环控制用于对同步发电机的转速进行阻尼，所述的一次调频控制用于对电网频率进行一次调频。

12、可选的，所述有功功率外环控制采用前馈控制结合反馈控制，输出为控制有功功率的转矩给定值；其中，前馈控制为ωn表示同步发电机的额定或者实际转速，反馈控制的输入为同步发电机有功功率的给定值和实测值之差。

13、可选的，所述转速外环控制采用反馈控制，输入为飞轮的给定转速和实际转速之差，输出为控制飞轮转速的转矩给定值。

14、可选的，所述转动惯量外环控制单元包括，测量同步发电机转子转速，将转速信号微分处理后乘以等效惯量值再取反，作为令电磁耦合器实现等效惯量的给定电磁转矩值，继而通过与电磁耦合器外转子绕组相连的变流器控制外转子的电流来控制电磁耦合器的转矩，使其达到该给定值。为防止放大高频噪声，微分信号也可以加入低通滤波器以滤除高频噪声；为了防止在正常状态时飞轮频繁充放电，影响飞轮的寿命，可以将正常转速范围设为死区，在死区范围内不投入该功能。

15、可选的，所述阻尼外环控制单元包括，测量同步发电机转子转速，将转速信号乘以阻尼系数后取反，作为令电磁耦合器实现等效阻尼的给定电磁转矩值，继而通过与电磁耦合器外转子绕组相连的变流器控制外转子的电流来控制电磁耦合器的转矩，使其达到该给定值。为去除直流分量的影响，转速信号既可以加入高通滤波器，也可以减去额定的转速以滤除直流分量；为了防止在正常状态时飞轮频繁充放电，影响飞轮的寿命，可以将正常转速范围设为死区，在死区范围内不投入该功能。

16、可选的，所述一次调频外环控制单元包括，用电网频率ωg减去电网额定频率ω0后乘以系数(其中dp为下垂系数，ωn为同步发电机的额定或者实际转速，δω为电磁耦合器内外转子的转速差)后取反，作为令电磁耦合器实现一次调频的给定电磁转矩值，继而通过与电磁耦合器外转子绕组相连的变流器控制外转子的电流来控制电磁耦合器外转子的转矩，使之达到该给定值。为防止在正常频率范围内投入一次调频的功能，可以将正常频率范围设为死区，在死区范围内不投入一次调频的功能。

17、可选的，无功功率控制器包括定子电压幅值控制器和无功控制器，所述定子电压幅值控制器的输入为定子电压幅值的给定值和实测值之差，输出为控制定子电压的励磁电压；所述无功控制器的输入为无功功率的给定值和实测值之差，输出为控制无功功率的励磁电压。控制定子电压的励磁电压和控制无功功率的励磁电压为二选一的关系，当需要控制定子电压时，选择控制定子电压的励磁电压；当需要控制无功功率时，选择控制无功功率的励磁电压。

18、可选的，无功功率控制器包括定子电压无功外环控制和励磁电流内环控制；定子电压无功外环控制包括定子电压幅值控制器和无功控制器，定子电压幅值控制器的输入为定子电压幅值的给定值和实测值之差，输出为控制定子电压的励磁电流给定值；无功控制器的输入为无功功率的给定值和实测值之差，输出为控制无功功率的励磁电流给定值。控制定子电压的励磁电流给定值和控制无功功率的励磁电流给定值为二选一的关系，当需要控制定子电压时，选择控制定子电压的励磁电流给定值；当需要控制无功功率时，选择控制无功功率的励磁电流给定值；励磁电流内环控制器的输入为励磁电流的给定值和实测值，输出为同步发电机的励磁电压。

19、本发明有益效果：采用一种通过电磁耦合器来连接飞轮与同步发电机的新结构，实现系统对有功、无功功率的独立控制，达到对电网频率、电压的同时支撑和无功补偿功效，实现调频和调相功能；此外还在有功功率控制中增加等效阻尼、等效惯量环节以及一次调频控制的功能，优化了系统对电网调频能力。

20、本发明附加方面的优点，将在下述的描述部分中更加明显的给出，或通过本发明的实践了解到。

技术特征：

1.一种飞轮储能调频调相系统，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的飞轮储能调频调相系统，其特征在于，所述有功功率控制器包括内环控制单元和外环控制单元；所述外环控制单元，用于输出控制有功功率的转矩给定值、控制飞轮转速的转矩给定值、控制转动惯量的转矩给定值、控制阻尼的转矩给定值和控制一次调频的转矩给定值，控制有功功率的转矩给定值、控制飞轮转速的转矩给定值、控制转动惯量的转矩给定值、控制阻尼的转矩给定值和控制一次调频的转矩给定值相互叠加后为总的转矩给定值；所述内环控制单元，用于通过变流器控制电磁耦合器外转子的电流来控制电磁耦合器外转子的转矩，使其达到转矩给定值。

3.根据权利要求2所述的飞轮储能调频调相系统，其特征在于，所述外环控制单元包括有功功率外环控制、转速外环控制、转动惯量外环控制、阻尼外环控制和一次调频外环控制；所述有功功率外环控制用于输出控制有功功率的转矩给定值，所述转速外环控制用于输出控制飞轮转速的转矩给定值，所述的转动惯量外环控制用于控制同步发电机对外的等效转动惯量，所述的阻尼外环控制由于对同步发电机的转速进行阻尼，所述的一次调频控制器用于对电网频率进行一次调频。

4.根据权利要求3所述的飞轮储能调频调相系统，其特征在于，所述有功功率外环控制采用前馈控制结合反馈控制，输出为控制有功功率的转矩给定值；其中，前馈控制为ωn表示同步发电机的额定或者实际转速，反馈控制的输入为同步发电机有功功率的给定值和实测值之差。

5.根据权利要求3所述的飞轮储能调频调相系统，其特征在于，所述转速外环控制采用反馈控制，输入为飞轮的给定转速和实际转速之差，输出为控制飞轮转速的转矩给定值。

6.根据权利要求2所述的飞轮储能调频调相系统，其特征在于，所述内环控制单元包括，测量同步发电机转子转速，将转速信号微分处理后乘以等效惯量值再取反，作为令电磁耦合器实现等效惯量的给定电磁转矩值，继而通过与电磁耦合器外转子绕组相连的变流器控制外转子的电流来控制电磁耦合器的转矩，使其达到该给定值。

7.根据权利要求2所述的飞轮储能调频调相系统，其特征在于，所述内环控制单元包括，测量同步发电机转子转速，用转速信号乘以阻尼系数后取反，作为令电磁耦合器实现等效阻尼的给定电磁转矩值，继而通过与电磁耦合器外转子绕组相连的变流器控制外转子的电流来控制电磁耦合器的转矩，使其达到该给定值。

8.根据权利要求2所述的飞轮储能调频调相系统，其特征在于，所述内环控制单元包括，用电网频率ωg减去电网额定频率ω0后乘以系数后取反，作为令电磁耦合器实现一次调频的给定电磁转矩值，继而通过与电磁耦合器外转子绕组相连的变流器控制外转子的电流来控制电磁耦合器外转子的转矩，使之达到该给定值；其中，dp为下垂系数，ωn为同步发电机的额定或者实际转速，δω为电磁耦合器内外转子的转速差。

9.根据权利要求1所述的飞轮储能调频调相系统，其特征在于：无功功率控制器包括定子电压幅值控制器和无功控制器，所述定子电压幅值控制器的输入为定子电压幅值的给定值和实测值之差，输出为控制定子电压的励磁电压；所述无功控制器的输入为无功功率的给定值和实测值之差，输出为控制无功功率的励磁电压。

10.根据权利要求1所述的飞轮储能调频调相系统，其特征在于：无功功率控制器包括定子电压无功外环控制和励磁电流内环控制；定子电压无功外环控制包括定子电压幅值控制器和无功控制器，定子电压幅值控制器的输入为定子电压幅值的给定值和实测值，输出为控制定子电压的励磁电流给定值；无功控制器的输入为无功功率的给定值和实测值，输出为控制无功功率的励磁电流给定值；其中，励磁电流内环控制的输入为励磁电流的给定值和实测值，输出为同步发电机的励磁电压。

技术总结
本发明提供一种飞轮储能调频调相系统，属于电网稳定性控制技术领域，飞轮与电磁耦合器的内转子连接；电磁耦合器外转子连接同步发电机的转子；同步发电机的定子绕组并入电网，电磁耦合器的外转子绕组通过变流器接入电网；有功功率控制器通过控制同步发电机转子的输入转矩来控制同步发电机的有功功率；无功功率控制器通过控制同步发电机的励磁电压来控制同步发电机的无功功率。本发明通过电磁耦合器来连接飞轮与同步发电机，实现系统对有功、无功功率的独立控制，达到对电网频率、电压的同时支撑和无功补偿功效，实现调频和调相功能；此外还在有功功率控制中增加等效阻尼、等效惯量以及一次调频控制的功能，优化了系统对电网调频能力。

技术研发人员：郭文勇,闵瑞祺,桑文举,洪韵,李晓旭,宋邵博,戴少涛
受保护的技术使用者：北京交通大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/13