一种基于发电电动机的频率变换装置及稳定控制方法与流程
本发明属于电力工程变频，应用于新能源发电端至电网端的输电系统中，实现变频功能，具体为一种基于发电电动机的频率变换装置及稳定控制方法。
背景技术：
1、海上风能资源丰富，且紧邻用电负荷中心，开发海上风电可以实现就近消纳，因此，电力系统中以风电和光伏为代表的新能源占比不断提高。新能源集群的并网过程，是影响和制约当前新能源产业发展的关键环节之一，其核心在于实现从新能源发电端到电网端的频率变换。
2、目前，已得到成功应用的海上风电并网技术，包括常规工频交流输电技术和柔性直流输电技术；其中，常规工频交流输电技术受到海上输电距离等因素的制约，而柔性直流输电技术则受到投资成本和运维成本等因素的限制；随着海上风电开发逐步由近海走向中远海，如何用更为经济的手段，实现远距离低损耗的输电过程，成为了值得研究的关键问题。
3、采用海底线缆进行输电过程，是一种远距离低损耗的输电方式；海底线缆的损耗主要由电容效应产生，而电容效应的强弱直接受制于运行频率的高低，运行频率低时，电容效应也相应降低。因此，海底线缆采用低频输电后，相较于工频输电，可以降低海底线缆的输电损耗。但是低频输电同样具有一定的缺陷，其中最主要的缺陷是：在电能送岸后，需要通过频率变换装置，将低频升频至工频后，才能并入电网端。
4、现有技术在此阶段进行升频操作的过程中，通常采用三级模块化变流器(m3c)进行升频，这是一种由大功率电力电子器件组成的变流器；采用此方式进行的升频过程，由于该类大功率电力电子器件的全生命周期投入成本高、无功支撑能力差、注入谐波问题显著等原因，极大的限制了新能源集群在低频低损耗输电下的应用效果。
5、为此，电力工程领域中，急需一种全新的频率变换装置，来解决电力电子器件在大功率背景下实现变频场景时存在的问题；同时在对新的频率变换装置进行控制时，也需尽量避免采用电力电子器件，从而规避器件带来的不利影响；采用何种方式设计频率变换装置的结构，以及搭配能实现稳定控制过程的控制方法，使新能源集群的并网输电效益得到提升，成为了当前研究的重点。
技术实现思路
1、本发明的目的是提供一种全新的频率变换装置，以替代现有技术在新能源集群电能输送及并网变频过程中使用的大功率电力电子器件变流器；本发明通过发电电动机这一成熟且优异的技术基础，设计并实现了一种频率变换装置，同时提供了该装置结构下变频系统的稳定运行控制方法；相较于现有技术中采用的m3c，本发明具有全生命周期成本低、并网电能质量好、无功支撑能力强的优点，并且控制方法的经济性和可靠性高，能使变频系统全工况稳定运行，保障发电电动机在新能源集群端的有功发生波动及电网端的有功无功波动时的支撑能力。
2、本发明采用了以下技术方案来实现目的：
3、一种基于发电电动机的频率变换装置，其特征在于：包括频率变换模块，所述频率变换模块由第一发电电动机和第二发电电动机组成，第一发电电动机的转轴与第二发电电动机的转轴之间通过连接轴系进行同轴连接；第一发电电动机具有第一额定频率f1，第二发电电动机具有第二额定频率f2。
4、进一步的，所述第一发电电动机和所述第二发电电动机的类型均采用同步电机。
5、进一步的，所述第一发电电动机具有第一转子极对数p1，第一转子极对数p1满足下式：
6、
7、式中，n1为第一发电电动机转速；
8、所述第二发电电动机具有第二转子极对数p2，第二转子极对数p2满足下式：
9、
10、式中，n2为第二发电电动机转速。
11、可选的，第一发电电动机的转轴与第二发电电动机的转轴之间通过连接轴系进行同轴连接，所述连接轴系的传动比为1，所述第一发电电动机转速n1等于所述第二发电电动机转速n2。
12、可选的，第一发电电动机的转轴与第二发电电动机的转轴之间通过连接轴系进行同轴连接，所述连接轴系的传动比为n，所述第一发电电动机转速n1和第二发电电动机转速n2满足：n1＝n*n2的关系。
13、进一步的，所述第一发电电动机连接新能源发电端，用于以电动机模式运行，接受由新能源发电端输送的频率为f1的电能，在电能作用下使第一发电电动机转子旋转，通过连接轴系同步带动第二发电电动机转子旋转；所述第二发电电动机连接电网端，用于以发电机模式运行，在第一发电电动机的同步旋转带动下，进行发电过程并向电网端输出频率为f2的电能。
14、进一步的，所述第二发电电动机连接电网端，用于以电动机模式运行，接受由电网端输送的频率为f2的电能，在电能作用下使第二发电电动机转子旋转，通过连接轴系同步带动第一发电电动机转子旋转；所述第一发电电动机连接新能源发电端，用于以发电机模式运行，在第二发电电动机的同步旋转带动下，进行发电过程，向新能源发电端输出频率为f1的电能，满足新能源发电端发电设备的启动需求。
15、优选的，所述第一发电电动机和所述第二发电电动机均采用变速发电电动机设计。
16、具体的，所述第一发电电动机和所述第二发电电动机的布置方式均包括立式布置和卧式布置；当第一发电电动机和第二发电电动机的布置方式不相同或转轴轴线不共线时，所述连接轴系采用可变向传动装置，用于连接并传递第一发电电动机的转轴与第二发电电动机的转轴之间的旋转力。
17、优选的，所述频率变换模块的数量为一个或多个，多个频率变换模块中各自的第一发电电动机和第二发电电动机采用相同或不同的布置方式；多个频率变换模块以并联方式接入多个新能源发电端与电网端之间。
18、本发明同时公开一种稳定控制方法，能对基于发电电动机的频率变换装置在新能源低频输电系统场景中的启动与运行进行控制，可解决由于新能源发电端波动而导致的暂态过程，增强系统的频率与电压稳定性，实现新能源发电端电力的稳定输送，方法如下：
19、一种基于发电电动机的频率变换装置的稳定控制方法，包括如下步骤：
20、s1、建立由第一发电电动机和第二发电电动机组成的频率变换模块的数学模型，分析低频输电并进行变频过程时，频率变换模块因频率和电压波动而导致的有功与无功增量；
21、s2、确定频率变换模块的运行方式，进行低频输电并变频的过程，第二发电电动机连接电网端，以发电机模式运行，作为发电机；第一发电电动机连接新能源发电端，以电动机模式运行，作为电动机；
22、s3、在发电机励磁环节引入控制量，同时根据频率变换模块出现的频率偏差，利用电动机转子动能，整定转速，使频率变换模块中第一发电电动机和第二发电电动机的转速保持在额定转速范围内；
23、s4、依据频率变换模块运行过程中的频率和电压变化，协调励磁控制量和转速控制量在参与调频调压时的比例系数，二者协同实现频率变换装置的稳定控制过程。
24、可选的，当频率变换模块的运行方式为低频输电并变频时，相应的控制策略为：通过频率变换模块的有功增量与实时有功功率得到有功期望值，并通过转速最优计算方式，得到当前有功功率下的电动机转速期望值，作为反馈信号引入至电动机转速调节系统中，保持同轴转速的稳定；同时，通过频率变换模块的无功增量与实时无功功率得到无功期望值，通过励磁控制器实时调节励磁功率，建立发电机励磁系统与源侧响应回路，维持频率变换模块的电压稳定。
25、可选的，当频率变换模块的运行方式为逆启动工况时，第二发电电动机连接电网端，以电动机模式运行，作为电动机；第一发电电动机连接新能源发电端，以发电机模式运行，作为发电机；
26、此时，从电网端下电，为海上风电场的风电机组提供启动电能，启动工况下通过实时监测风电场scada系统中的有功量preq与无功量qreq，以及频率变换模块的有功与无功期望值，作为反馈信号，并通过电动机转速调节系统与励磁控制器，实时平衡从电网端吸收的电能与风电场启动所需的电能，实现风电机组的平滑启动。
27、综上所述，由于采用了本技术方案，本发明的有益效果如下：
28、与现有技术中的变频方式相比，本发明采用发电电动机作为频率变换功能的核心组件，具有有功波动范围大的优势，在不考虑必要损耗(如＜1％)的情况下，发电电动机本身可在0至100％的有功范围内稳定运行，因此相较于传统电力电子器件，能更好的适应新能源发电端的有功波动。
29、本发明的频率变换模块在满足正常低频输电的升频变频过程的同时，还可逆向运行，且逆向运行时的功率与正向运行时相当，因此可满足新能源发电端的设备启动需求；同时，由于核心组件为大型的同步发电电动机，应用于新能源发电端的场所时，其同步电机容量均达百兆瓦级甚至更高，因此具有大转动惯量的特点，相较于电力电子器件，本发明对减少电力系统扰动的优势显著。
30、在实现变频功能的同时，本发明的输出电能波形更好，是因为发电电动机空载电压波形的全谐波畸变因数不超过5％，所以输出电能质量优于电力电子器件。
31、本发明的装置同时具有使用寿命长、稳定性好和国产化程度高的优点；依据抽水蓄能领域中成熟的大型发电电动机技术经验，其使用寿命通常不低于30年，远大于电力电子器件不足10年的寿命；而稳定性则体现在无故障连续运行时间可达18000小时的特定；发电电动机相关产业链成熟，可实现100％国产化，应用于频率变换过程中，解决新能源低频输电的问题，保障低频输电的低损耗优势，最终能极大的提升经济效益。
32、本发明的稳定控制方法在发电工况与电动工况下，均能够有效抑制整个装置系统的频率与电压波动，能够提高变频系统中对新能源发电电力的消纳能力，确保变频系统的连续稳定运行。
技术特征：
1.一种基于发电电动机的频率变换装置，其特征在于：包括频率变换模块，所述频率变换模块由第一发电电动机和第二发电电动机组成，第一发电电动机的转轴与第二发电电动机的转轴之间通过连接轴系进行同轴连接；第一发电电动机具有第一额定频率f1，第二发电电动机具有第二额定频率f2。
2.根据权利要求1所述的一种基于发电电动机的频率变换装置，其特征在于：所述第一发电电动机和所述第二发电电动机的类型均采用同步电机。
3.根据权利要求2所述的一种基于发电电动机的频率变换装置，其特征在于：
4.根据权利要求3所述的一种基于发电电动机的频率变换装置，其特征在于：第一发电电动机的转轴与第二发电电动机的转轴之间通过连接轴系进行同轴连接，所述连接轴系的传动比为1，所述第一发电电动机转速n1等于所述第二发电电动机转速n2。
5.根据权利要求3所述的一种基于发电电动机的频率变换装置，其特征在于：第一发电电动机的转轴与第二发电电动机的转轴之间通过连接轴系进行同轴连接，所述连接轴系的传动比为n，所述第一发电电动机转速n1和第二发电电动机转速n2满足：n1＝n*n2的关系。
6.根据权利要求4或5所述的一种基于发电电动机的频率变换装置，其特征在于：所述第一发电电动机连接新能源发电端，用于以电动机模式运行，接受由新能源发电端输送的频率为f1的电能，在电能作用下使第一发电电动机转子旋转，通过连接轴系同步带动第二发电电动机转子旋转；所述第二发电电动机连接电网端，用于以发电机模式运行，在第一发电电动机的同步旋转带动下，进行发电过程并向电网端输出频率为f2的电能。
7.根据权利要求4或5所述的一种基于发电电动机的频率变换装置，其特征在于：所述第二发电电动机连接电网端，用于以电动机模式运行，接受由电网端输送的频率为f2的电能，在电能作用下使第二发电电动机转子旋转，通过连接轴系同步带动第一发电电动机转子旋转；所述第一发电电动机连接新能源发电端，用于以发电机模式运行，在第二发电电动机的同步旋转带动下，进行发电过程，向新能源发电端输出频率为f1的电能，满足新能源发电端发电设备的启动需求。
8.根据权利要求2所述的一种基于发电电动机的频率变换装置，其特征在于：所述第一发电电动机和所述第二发电电动机均采用变速发电电动机设计。
9.根据权利要求2所述的一种基于发电电动机的频率变换装置，其特征在于：所述第一发电电动机和所述第二发电电动机的布置方式均包括立式布置和卧式布置；当第一发电电动机和第二发电电动机的布置方式不相同或转轴轴线不共线时，所述连接轴系采用可变向传动装置，用于连接并传递第一发电电动机的转轴与第二发电电动机的转轴之间的旋转力。
10.根据权利要求9所述的一种基于发电电动机的频率变换装置，其特征在于：所述频率变换模块的数量为一个或多个，多个频率变换模块中各自的第一发电电动机和第二发电电动机采用相同或不同的布置方式；多个频率变换模块以并联方式接入多个新能源发电端与电网端之间。
11.一种基于发电电动机的频率变换装置的稳定控制方法，其特征在于，包括如下步骤：
12.根据权利要求11所述的一种基于发电电动机的频率变换装置的稳定控制方法，其特征在于：步骤s1中，频率变换模块的数学模型，包括作为发电机的第二发电电动机的定子电气方程、励磁控制器、模块中的转子运动方程和作为电动机的第一发电电动机调节，即电动机调节特性；第一发电电动机与第二发电电动机均采用同步电机，建立的数学模型如下：
13.根据权利要求12所述的一种基于发电电动机的频率变换装置的稳定控制方法，其特征在于：根据频率变换模块的频率变化，整定得到有功增量，改变频率变换模块的有功功率参考值，调节电动机转子动能，实现对电网的频率调节，数学表达式如下：
14.根据权利要求13所述的一种基于发电电动机的频率变换装置的稳定控制方法，其特征在于：步骤s2中，所述新能源发电端为海上风电场，通过风电场的风电机组风速-功率模型，从而确定海上风电场的输入风速和有功功率送出量。
15.根据权利要求14所述的一种基于发电电动机的频率变换装置的稳定控制方法，其特征在于：当频率变换模块的运行方式为低频输电并变频时，相应的控制策略为：通过频率变换模块的有功增量与实时有功功率得到有功期望值，并通过转速最优计算方式，得到当前有功功率下的电动机转速期望值，作为反馈信号引入至电动机转速调节系统中，保持同轴转速的稳定；同时，通过频率变换模块的无功增量与实时无功功率得到无功期望值，通过励磁控制器实时调节励磁功率，建立发电机励磁系统与源侧响应回路，维持频率变换模块的电压稳定。
16.根据权利要求15所述的一种基于发电电动机的频率变换装置的稳定控制方法，其特征在于：当频率变换模块的运行方式为逆启动工况时，第二发电电动机连接电网端，以电动机模式运行，作为电动机；第一发电电动机连接新能源发电端，以发电机模式运行，作为发电机；
技术总结
本发明提供一种基于发电电动机的频率变换装置及稳定控制方法，属于电力工程变频技术领域，解决了现有技术在新能源低频输电的升频场景下采用电力电子器件变流器所带来的缺陷问题；包括频率变换模块，频率变换模块由第一发电电动机和第二发电电动机组成，第一发电电动机与第二发电电动机的转轴间通过连接轴系同轴连接；第一发电电动机具有额定频率f<subgt;1</subgt;，连接新能源发电端，以电动机模式运行；第二发电电动机具有额定频率f<subgt;2</subgt;，连接电网端，以发电机模式运行；控制方法以励磁控制和转速控制为准，实现稳定控制过程；本发明具有全生命周期成本低、并网电能质量好、无功支撑能力强、经济性和可靠性高的优点。
技术研发人员：刘健俊,刘德民,汤翔,曾玉好,张艳东,陈玉红,王智超,朱琳琳,郑棣,唐若愚,何鑫,晏明,阳熹,沈云,陆莹
受保护的技术使用者：东方电气集团东方电机有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/9/23