基于同步电动机-双馈发电机的旋转变频系统及控制方法与流程

本发明属于新能源电力系统，应用于海上风力发电的低频输电过程中，具体为基于同步电动机-双馈发电机的旋转变频系统及控制方法。

背景技术：

1、我国海上风能资源丰富且紧邻负荷中心，开发海上风电可实现就近消纳，是实现“双碳目标”的重要举措之一。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；常规工频交流输电技术受到输电距离的制约，而柔性直流输电技术则受到投资成本与运维成本的限制。我国海上风电开发已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海底输电，便成为了本领域技术人员的研究要点。

2、海底线缆的损耗主要由电容效应产生，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，采用低频输电可以降低海底线缆的输电损耗。现阶段，海底线缆在低频送岸后升至工频并网的频率转换环节，有电力电子器件(m3c)与电磁转换(电动机-发电机组)两种技术路线。使用模块化多电平矩阵变换器这类m3c器件进行升频时，在大功率应用背景下，其全生命周期投入成本较高，惯量支撑和无功支撑能力差、注入谐波等问题显著。

3、在低频输电技术背景下，电动机-发电机组的技术路线展现出了相比m3c技术更为显著的优势。该路线不仅全生命周期的综合成本更低，而且在并网时能够提供更加优质的电能质量，其强大的惯性响应能力和无功调节性能尤为突出。特别是在低频侧电网架构与电压稳定方面，电动机-发电机组构成的旋转变频系统具有独特的优势，可有效构建并维持低频电网的电压水平，为风电场内的跟网型风机提供可靠的并网支持，并与风电场内的构网型风机完美兼容。

4、目前，业界已有的实践为采用同步电动机-同步发电机组的频率转换模式，这种方式虽然在特定条件下运行稳定，但其对电动机输入电源的频率以及发电机组内部的极对数有着严格要求，这在一定程度上限制了应用范围与灵活性。因此，如何克服这一方式下的局限性，并在经济性和系统灵活性上获得更进一步的突破，将相关系统的启动与控制技术中研究的空白阶段进行填补，就成为了本领域技术人员的核心研究要点之一。

技术实现思路

1、基于背景技术中的现状，本发明更进一步的提出采用同步电动机-双馈发电机组合的方式，利用同步电动机高效吸收处理来自送岸侧的低频电能，通过同轴系连接的双馈发电机实现工频电网的并网及升频转换。本发明的这一方案不仅能克服传统同步电动机-同步发电机方式的部分局限性，更是在经济性、灵活性上取得了突破。

2、本发明采用了以下技术方案来实现目的：

3、一种基于同步电动机-双馈发电机的旋转变频系统，所述旋转变频系统包括依次连接的低频电网、旋转变频机组和工频电网；所述旋转变频机组包括同步电动机和双馈发电机，所述同步电动机的转轴与所述双馈发电机的转轴以同轴机械连接方式相连；所述同步电动机与所述低频电网相连，所述双馈发电机与所述工频电网相连，所述双馈发电机还与交流励磁系统相连；所述同步电动机用于消纳来自所述低频电网的低频交流电能，并拖动所述双馈发电机；所述双馈发电机通过恒频变速运行模式实现所述旋转变频机组对所述低频电网至所述工频电网的频率转换；所述双馈发电机用于在所述同步电动机的拖动下旋转，产生工频交流电能，并输入至所述工频电网中。

4、具体的，所述同步电动机与所述双馈发电机的类型均为电动发电机，所述同步电动机与所述双馈发电机的运行模式均包括电动模式和发电模式。

5、进一步的，所述双馈发电机的转子绕组通过滑环与所述交流励磁系统相连，从而独立地对其转子侧励磁电流进行控制；所述交流励磁系统用于在所述双馈发电机的恒频变速运行模式下，当所述低频电网输出的低频交流电能的频率变化时，通过调整注入转子绕组的电流频率与幅值，动态调节转子磁场的旋转速度，进而使所述双馈发电机在预设范围内超同步或亚同步运行，适应不同频率的低频交流电能导致的所述同步电动机的旋转，并使所述双馈发电机的定子绕组端输出的工频交流电能的频率保持恒定。

6、本发明同时提供一种基于同步电动机-双馈发电机的旋转变频系统的控制方法，所述控制方法包括连贯的启动流程和运行流程，具体为以下步骤：

7、s1、构建旋转变频系统，旋转变频系统中的旋转变频机组由同步电动机和双馈发电机组成，且同步电动机的转轴与双馈发电机的转轴以同轴机械连接方式相连；

8、s2、进入启动流程，采用单独sfc启动方式，或是通过双馈发电机的交流励磁系统进行自启动的方式，使双馈发电机在电动模式下并入工频电网；

9、s3、旋转变频机组由工频电网驱动，此时使同步电动机运行于发电模式，并在双馈发电机的拖动下旋转，将同步电动机连接至低频电网；

10、s4、当同步电动机的转速达到低频电网所需频率的对应转速后，对同步电动机投入励磁，对低频电网进行充电建压构网，结束启动流程；

11、s5、进入运行流程，旋转变频机组工作于恒频变速运行模式，实现低频输电过程的频率变换；低频电网中的风电机组输出低频交流电能，驱动运行于电动模式的同步电动机，此时双馈发电机运行于发电模式，在同步电动机的拖动下旋转，产生工频交流电能，并输入至工频电网中。

12、综上所述，由于采用了本技术方案，本发明相较于传统的系统结构更为简化，成本得到了降低，但同时提升了风电机组对于复杂运行环境的适应性和运行效率，尤其适合用于中远海海上风电机组中，实现高效、经济、可靠地捕获与利用风能资源。结合技术方案，本发明具体的有益效果如下：

13、1、灵活性与适应性增强：本发明的系统可依据风电机组输出频率的变化进行自适应调节，有效提高系统的运行灵活性和对环境变化的适应能力。

14、2、启动方式经济：在启动过程中，既可以选择传统成熟的sfc启动装置拖动，也可以选择双馈发电机的交流励磁系统自启动方式；尤其是自启动方式，可以省去额外的sfc启动装置，降低了设备成本与维护费用。

15、3、恒频变速模式优化并网性能：在运行中，系统同步电动机与双馈发电机的转速能随风电机组输出频率的变化而调整，并通过改变双馈发电机转子励磁频率，确保定子并网输出工频的恒定；这一方式既能消纳不同频率的风电电能，又能让直驱风机组无需配置全功率变频器就能接入低频电网，满足风机在各种风速下最大功率捕获的要求。

16、4、提高并网速度与稳定性：通过增设少量公共变频器，还可以加快风机转速与电网频率匹配的速度，进一步提升并网效率。

17、5、最大化风机工作效率：双馈发电机能够实时自适应调节输出功率或转子机械转速，使风机始终保持在当前风速下的最大效率点运行，从而在各种风速条件下都能最大化风机的工作效率，提高风力发电系统的整体效能。

技术特征：

1.一种基于同步电动机-双馈发电机的旋转变频系统，其特征在于：所述旋转变频系统包括依次连接的低频电网、旋转变频机组和工频电网；所述旋转变频机组包括同步电动机和双馈发电机，所述同步电动机的转轴与所述双馈发电机的转轴以同轴机械连接方式相连；所述同步电动机与所述低频电网相连，所述双馈发电机与所述工频电网相连，所述双馈发电机还与交流励磁系统相连；所述同步电动机用于消纳来自所述低频电网的低频交流电能，并拖动所述双馈发电机；所述双馈发电机通过恒频变速运行模式实现所述旋转变频机组对所述低频电网至所述工频电网的频率转换；所述双馈发电机用于在所述同步电动机的拖动下旋转，产生工频交流电能，并输入至所述工频电网中。

2.根据权利要求1所述的基于同步电动机-双馈发电机的旋转变频系统，其特征在于：所述同步电动机与所述双馈发电机的类型均为电动发电机，所述同步电动机与所述双馈发电机的运行模式均包括电动模式和发电模式。

3.根据权利要求2所述的基于同步电动机-双馈发电机的旋转变频系统，其特征在于：所述低频电网包括依次连接的风电机组、集电系统、海上升压站、海底交流线缆和陆上降压站，所述陆上降压站还连接至所述同步电动机；所述工频电网包括陆上升压站及其连接的大电网，所述陆上升压站还连接至所述双馈发电机的定子绕组。

4.根据权利要求3所述的基于同步电动机-双馈发电机的旋转变频系统，其特征在于：所述风电机组中的每台风机均为直驱式风机，所述直驱式风机采用不配备变频装置的方式并入所述低频电网中，或是多台所述直驱式风机采用仅配备1台公共变频装置的方式逐一并入所述低频电网中；所述公共变频装置的容量与单台所述直驱式风机的容量相等。

5.根据权利要求3所述的基于同步电动机-双馈发电机的旋转变频系统，其特征在于：所述双馈发电机的转子绕组通过滑环与所述交流励磁系统相连，从而独立地对其转子侧励磁电流进行控制；所述交流励磁系统用于在所述双馈发电机的恒频变速运行模式下，当所述低频电网输出的低频交流电能的频率变化时，通过调整注入转子绕组的电流频率与幅值，动态调节转子磁场的旋转速度，进而使所述双馈发电机在预设范围内超同步或亚同步运行，适应不同频率的低频交流电能导致的所述同步电动机的旋转，并使所述双馈发电机的定子绕组端输出的工频交流电能的频率保持恒定。

6.一种基于同步电动机-双馈发电机的旋转变频系统的控制方法，其特征在于：所述控制方法包括连贯的启动流程和运行流程，具体为以下步骤：

7.根据权利要求6所述的基于同步电动机-双馈发电机的旋转变频系统的控制方法，其特征在于：步骤s2中，采用单独sfc启动方式，将同步电动机通过单独的sfc启动装置连接工频电网，sfc启动装置从工频电网取电后，开始驱动同步电动机旋转，进而拖动同轴连接的双馈发电机旋转；当双馈发电机在拖动下旋转的转速达到预设的转差范围后，通过调整双馈发电机的交流励磁系统，向双馈发电机投入励磁，使双馈发电机并入工频电网。

8.根据权利要求6所述的基于同步电动机-双馈发电机的旋转变频系统的控制方法，其特征在于：步骤s2中，通过双馈发电机的交流励磁系统进行自启动的方式，将双馈发电机的转子绕组通过交流励磁系统连接工频电网，交流励磁系统从工频电网取电后，直接开始驱动双馈发电机旋转；当双馈发电机的转速达到预设的转差范围后，进一步调整双馈发电机的交流励磁系统，改变投入的励磁电流参数，使其匹配于工频电网的并网需求参数，从而使双馈发电机并入工频电网。

9.根据权利要求6所述的基于同步电动机-双馈发电机的旋转变频系统的控制方法，其特征在于：步骤s4中，低频电网所需频率为其中的风电机组所需的低频频率，对应于风电机组的输出转速；当同步电动机的转速达到对应转速后，投入励磁，并使同步电动机励磁系统工作于线路充电模式，控制同步电动机逐步升压，从而为低频电网的线路充电，直至达到低频电网在低频频率下的额定电压，完成低频电网的充电建压构网过程。

10.根据权利要求6所述的基于同步电动机-双馈发电机的旋转变频系统的控制方法，其特征在于：步骤s5中，在恒频变速运行模式下，旋转变频机组中的双馈发电机受交流励磁系统控制，通过对其转子机械转速调节的方式，适应风电机组输出低频频率作用于同步电动机时带来的频率变化，从而消纳不同频率的风电输出的低频交流电能；

技术总结本发明提供基于同步电动机‑双馈发电机的旋转变频系统及控制方法，属于新能源电力系统技术领域，解决当前仅采用同步电机时存在的局限性问题；方法包括：同步电动机与双馈发电机同轴连接，启动流程可采用双馈发电机的自启动方式，使双馈发电机并入工频电网；机组由工频电网驱动，使同步电动机在拖动下旋转，同时连接至低频电网；当同步电动机的转速达到低频电网所需频率的对应转速后，投入励磁，对低频电网进行充电建压构网；运行流程的机组工作于恒频变速运行模式，由低频电网驱动同步电动机，双馈发电机在拖动下旋转，产生工频交流电能输出至工频电网；本发明的系统结构更为简化，成本降低，且提升了风电机组的适应性与运行效率。技术研发人员：杨伟,郑小康,晏明,张艳东,何鑫,唐若愚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：2024/7/23