一种基于柔性传动结构的全功率变速抽蓄机组拓扑

技术领域

本发明涉及抽水蓄能技术领域，具体为一种基于柔性传动结构的全功率变速抽蓄机组拓扑。

背景技术

抽水蓄能技术，即利用水作为储能介质，通过电能与势能相互转化，实现电能的储存和管理。利用电力负荷低谷时的电能抽水至上水库，在电力负荷高峰期再放水至下水库发电。在“双碳”目标的引领下，新能源装机容量及比例逐步提高给电力系统的安全稳定灵活运行带来了诸多不利影响，发展储能技术也就成为了当务之急。而抽水蓄能作为目前技术最为成熟，经济性最好的储能技术，受到了世界各国的广泛关注，也成为了我国重点扶持的对象。

我国抽水蓄能电站几乎全部采用定速抽蓄机组，其工作模式较为固定，尚不足以应对电网近年来出现的大规模新能源快速功率波动的问题。相比传统的定速抽蓄机组，变速抽水蓄能机组效率更高、运行更灵活、响应更迅速。而在变速抽蓄机组中，又以全功率变速抽蓄机组调节范围最广，响应速度最快，因而其也受到了国际社会的普遍关注。

然而，现有全功率变速抽蓄机组普遍存在以下问题。首先，现有机组均采用同轴连接方式，过渡过程中轴系两端的不平衡转矩容易导致轴系受损，进而诱发机组低频振荡；此外，现有机组发电电动机往往采用低速大转矩的水轮发电机，导致机组总重较大，规划建设及运输安装受到较多限制，不利于分布式抽蓄机组的发展；最后，传统机组只能实现单一工况下水泵水轮机最优转速与变流器最优频率的匹配，因此在另一工况下机组效率偏低，严重影响机组的经济性。综上所述，优化机组拓扑以实现其可靠性，灵活性及经济性的提升成为本领域的研究热点。

因此，本发明提供一种基于柔性传动结构的全功率变速抽蓄机组拓扑，用于解决上述所提出的相关技术问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于柔性传动结构的全功率变速抽蓄机组拓扑，进而能够有效提升机组的可靠性，灵活性及经济性。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

本发明提供了一种基于柔性传动结构的全功率变速抽蓄机组拓扑，包括上水库、引水系统、水泵水轮机、下水库、磁齿轮、发电电动机和全功率变流器；

所述引水系统一端与上水库连通，另一端与下水库连通，所述引水系统用于为机组运行时水流流动提供通路；

所述水泵水轮机与引水系统连通，且水泵水轮机通过磁齿轮与发电电动机连接，所述水泵水轮机用于实现水流的重力势能与转子动能间的相互转化；

所述发电电动机通过导线与全功率变流器连接，所述发电电动机用于实现转子动能与电能间的相互转化。

本发明进一步的设置为：所述引水系统包括引水管道，所述引水管道上安装有调压井和球阀。

本发明进一步的设置为：所述全功率变流器外接有电网。

本发明进一步的设置为：所述全功率变流器为背靠背连接方式的变流器。

本发明进一步的设置为：所述磁齿轮内设置有内转子、外转子及调制环，所述内转子连接发电电动机，所述外转子和调制环均连接水泵水轮机。

本发明进一步的设置为：所述磁齿轮具有发电运行状况和抽水运行状况两种工况，实现双向变速柔性传动，两种工况运行过程为：

处于发电运行状况时，外转子锁定，内转子及调制环旋转；

处于抽水运行状况时，调制环锁定，内转子和外转子旋转。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

(1)本发明引入了柔性传动结构代替传统的同轴连接结构，能够实现过渡过程中机组轴系的保护，有效避免因轴系损伤引起的低频振荡，提升了机组的可靠性。

(2)本发明磁齿轮的双向传动特性，使得发电电动机在抽水及发电工况下均能保持正转，进而可以采用设计制造成本更低，支撑能力更强的偏心支撑结构代替传统的中心支撑结构，实现了发电电动机支撑结构的优化。

(3)本发明磁齿轮的变转矩特性，使得发电电动机可以采用高速小转矩的汽轮发电机代替传统的低速大转矩水轮发电机，进而极大减轻了机组总重，有效提升了其规划建设的灵活性。

(4)本发明磁齿轮的变速特性，使得可以通过特定的极对数设计实现机组抽水及发电工况下，水泵水轮机的最优转速与全功率变流器最优频率的匹配，进而有效提升机组的整体效率及运行的经济性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明基于柔性传动结构的全功率变速抽蓄机组拓扑的结构示意图；

图2为本发明基于柔性传动结构的全功率变速抽蓄机组拓扑中磁齿轮的结构示意图；

图3为本发明的转矩曲线图。

图例说明：100、上水库；200、引水系统；300、调压井；400、水泵水轮机；500、下水库；600、磁齿轮；610、内转子；620、外转子；630、调制环；700、发电电动机；800、全功率变流器。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述；显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“内”、“外”、“顶/底端”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“设置有”、“套设/接”、“连接”等，应做广义理解，例如“连接”，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通；对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

实施例

如图1-图3所示，本实施例提供了一种基于柔性传动结构的全功率变速抽蓄机组拓扑，包括上水库100、引水系统200、水泵水轮机400、下水库500、磁齿轮600、发电电动机700和全功率变流器800；引水系统200一端与上水库100连通，另一端与下水库500连通，引水系统200用于为机组运行时水流流动提供通路；水泵水轮机400与引水系统200连通，且水泵水轮机400通过磁齿轮600与发电电动机700连接，水泵水轮机400用于实现水流的重力势能与转子动能间的相互转化；发电电动机700通过导线与全功率变流器800连接，发电电动机700用于实现转子动能与电能间的相互转化。

在本实施例中，需要说明的是，水泵水轮机400可运行在抽水及发电两种工况，通过调节导叶开度控制其转速或功率，作用为实现水流的重力势能与转子动能间的相互转化，发电电动机700可采用电励磁及永磁等构造，其可以工作在电动机及发电机两种工况，作用为实现转子动能与电能的相互转化。

在本发明中，引水系统200包括引水管道，引水管道上安装有调压井300和球阀。

在本实施例中，需要说明的是，调压井300用于减轻水锤效应对机组的影响，球阀(图中未画出)用于控制引水系统200中水的流量，引水系统200整体的作用为在机组运行时提供水流流动的通路。

在本发明中，全功率变流器800外接有电网。

在本实施例中，需要说明的是，发电电动机700经由全功率变流器800与电网相连，可运行于电动机及发电机两种工况，作用为实现转子动能与电能间的相互转化。

在本发明中，全功率变流器800为背靠背连接方式的变流器。

在本实施例中，需要说明的是，发电电动机700所发电能全部经由全功率变流器800变换后输入电网，其采取相应控制策略以实现机组对转速或功率的稳定控制，其作用为实现发电电动机700的稳定并网运行。

在本发明中，磁齿轮600内设置有内转子610、外转子620及调制环630，内转子610连接发电电动机700，外转子620和调制环630均连接水泵水轮机400。

在本实施例中，需要说明的是，内转子610、外转子620及调制环630三部分的极对数满足磁场调制关系。其中内转子610、外转子620装有不同极对数的永磁体，调制环630则由齿状磁钢组成。

在本发明中，磁齿轮600具有发电运行状况和抽水运行状况两种工况，实现双向变速柔性传动，两种工况运行过程为：

处于发电运行状况时，外转子620锁定，内转子610及调制环630旋转；

处于抽水运行状况时，调制环630锁定，内转子610和外转子620旋转。

在本实施例中，需要说明的是，磁齿轮600可实现双向变速柔性传动，此外，通过设计磁齿轮600三个旋转部分的极对数，能够实现抽水及发电工况下机组最优效率的同时匹配。

相比于传统机组的同轴连接结构，磁齿轮600的三个可旋转部分通过气隙磁场相互作用，实现了水泵水轮机400与发电电动机700的柔性连接。在机组过渡过程中，轴系两端转矩的不平衡将导致磁场分量夹角的变化，由此引起的气隙磁场能量的变化起到对不平衡转矩的缓冲作用，有效减轻了其对轴系的损伤。

根据磁场调制相关理论，若以下标h表示内转子，下标l表示外转子，下标m表示调制环，则在发电工况下，即外转子620锁定，内转子610与调制环630旋转时，二者旋转角速度与极对数有如下关系：

在抽水工况下，即调制环630锁定，内转子610、外转子620旋转时，二者旋转角速度与极对数有如下关系：

由以上两式可知，在抽水及发电工况下，水泵水轮机400旋转方向相反，但发电电动机700的旋转方向保持不变，这样可以将发电电动机700的支撑结构从传统的中心支撑变为经济性更好，支撑能力更强的偏心支撑结构，进而实现发电电动机700支撑结构的优化。

由于能量守恒定律，各部分转矩之比应等于角速度比的倒数。因此，发电电动机700可以从传统的低速大转矩的水轮发电机变为高速小转矩的汽轮发电机。经过计算，对一台百兆瓦级的全功率变速抽蓄机组，加装磁齿轮600后，发电电动机700重量及机组总重均大幅降低，极大提升了机组规划建设的灵活性，有利于未来分布式抽蓄的发展。

水泵水轮机400抽水工况的最优转速比发电工况高出约18％，而全功率变流器800的最高效率点不变，因此传统机组无法实现水轮机与电机在两种工况下最优效率的同时匹配。而由上述两式可知，抽水及发电工况下磁齿轮600的传动比可通过调节各部分极对数来改变，因此，通过设计特定的极对数，能够做到当发电电动机700转速保持额定转速不变时，抽水工况下水泵水轮机400转速比发电工况下高出约18％，进而实现抽水及发电工况下最高效率点的同时匹配，提升机组的整体效率。

如图3所示，以调制环630锁定，内转子610、外转子620旋转为例，内转子610、外转子620的转矩幅值与磁场夹角的正弦值成正比，旋转方向相反，且二者幅值之比等于内外转子极对数之比。因此，在过渡过程中，轴系两端的不平衡转矩将引起内外转子磁场夹角的变化，由此引发的气隙磁场能量的变化将消纳不平衡转矩对轴系的影响，进而实现过渡过程中轴系的保护，并预防由轴系损伤引起的机组低频振荡。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“示例”、“具体示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

以上公开的本发明优选实施例只是用于帮助阐述本发明。优选实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为所述的具体实施方式。显然，根据本说明书的内容，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地理解和利用本发明。本发明仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。