本发明专利技术公开了一种提升同步电机对惯性响应的质量块装置及其使用方法，包括两个质量块、中心圆盘和转轴，两个质量块均为圆环结构，均环向分割成均等的四个1/4质量块，均采用螺栓别固定连接在中心圆盘两侧，转轴固定连接在中心圆盘中部，转轴与电机转子固定连接。本发明专利技术质量块装置可以满足同步电机对系统对不同转动惯量的需求，提升同步电机对系统对电网的惯性支撑作用。质量块和螺纹孔的对称均匀排布，使得电机高速旋转时各个质量块受力均匀，使质量块装置的离心力均匀分布；本发明专利技术通过中心圆盘和质量块的凹凸配合，使得两者贴合紧密，起到定位作用，提高加装转动惯量的精确性，简化紧固设计和用料，在高速旋转时可以保持较好的稳定性。
A mass device for lifting the inertia response of synchronous motor and its application
【技术实现步骤摘要】
一种提升同步电机对惯性响应的质量块装置及其使用方法
本专利技术属于提升同步电机对惯性响应
，具体涉及一种提升同步电机对惯性响应的质量块装置及其使用方法。
技术介绍
随着新能源发电在系统中所占的比例越来越大，新能源并网对电网惯性响应弱和一次调频能力不足而使得系统对频率的控制能力逐渐受到限制，这将成为新能源发展的障碍。＂电网友好型＂新能源要求其发电效率高，能够抵御一定的故障，还要积极参与电网有功-频率调节，提高系统的稳定性。对于风力发电机组，变速风电机组有功输出大小由当前风速决定，通过计算最大功率跟踪曲线上对应的功率值，作为变流器控制的参考指令，采用有功、无功功率解耦控制策略，这会使得风机转动惯量被＂隐藏＂起来。类似地，光伏发电由于完全不具有旋转部件，因此其呈现出零惯性响应。因此可见当大量风机或光伏接入电网后，随着新能源渗透率提升，电网有效惯量将会减小。并且已有研究表明，当风机渗透率达到10％上时，系统的转动惯量会有明显的降低。而惯量体现新能源对频率变化的缓冲能力，保证在负荷扰动量比较大时，新能源机组有充裕时间实现有功功率的调整。为了解决上述问题，国内外学者提出了很多改进措施。对于风力发电，风机可以通过留有一定的功率备用参与系统调频，变速风电机组有功备用控制指风电场放弃最大功率追踪，稳态运行时风电场预留一部分可调节的功率以便在频率变化时参与频率调节。备用功率控制策略包括直接桨距角备用控制和修改最大功率跟踪曲线控制。有人研究风机的频率控制方法，转速信号反馈到风机控制系统中，并且通过计算得到相应的有功功率指令。该指令与原有功功率指令相加获得变流器功率参考指令，从而实现了风电机组对系统频率变化的惯性支持能力。也有人研究了风电场通过修改功率曲线进行超速减载运行的控制方法，并利用有功/频率下垂控制完成一次调频。现有文献研究了超速与变桨结合的减载控制方案，使风电机组可利用桨距角/频率下垂特性进行一次调频。对于光伏发电，现有的调频措施主要有仿照常规机组的有功-频率静特性、附加储能装置等。由于光伏电源的特殊性，光伏参与系统调频的能力很有限，与风电机组类似，通过自身留有一定的功率备用或储能系统的支撑作用完成调频功能。并且现有涉及到大电网中光伏参与调频的研究甚少。上述解决方案在一定程度上可以起到对系统频率的支撑，但是通过控制手段模拟同步发电机的调频特性，一方面无法完整地模拟其运动特性因此与传统的同步电机存在固有的差异；另一方面，控制策略较为复杂其参数不易整定。并且新能源的调频需要储能装置的支撑，也额外增加了新能源厂站的投资成本。新能源惯性缺失对系统频率造成的负面影响是毋庸置疑的。近年来有学者提出“虚拟惯性”控制技术，或称为虚拟同步发电机技术、同步换流器技术，该方法基于同步发电机的机电暂态模型，在频率控制上模拟同步发电子的转子惯量与系统调频特性。以上方法也不是完美的，在以下主要方面存在不足：(1)是否具备足够的能量来源。虚拟惯性控制旨在释放风机转子或换流器直流侧电容中的能量以提供惯性，所能释放的能量和调频效果对扰动发生前风机的转速或电容储能依赖度较高，是否具备足够的能量来源是该方法需要解决的问题；(2)频率调节的可靠性。为保证扰动恢复后转子能够重新恢复最优转速，还需要将临时“借用”的动能“归还”给转子，因此需要从电网吸收有功功率，这一方面导致系统频率恢复过程变长，另一方面可能加剧电网的功率缺额，存在频率进一步下降的潜在风险。综上所述，现有提升电网惯性的控制策略及硬件措施均不能很好地为系统提供充足、稳定的惯性响应和频率支撑。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题是：提供一种提升同步电机对惯性响应的质量块装置及其使用方法，借鉴传统的同步电机理论，通过同步电机对并网的方式同样为系统提增加惯性，并且其实现简单、运行可靠，通过增减质量块为同步电机对系统提供不同的转动惯量。并且质量块的配置具有灵活性和多样性，能够满足不同场景下转动惯量的需求，以解决现有技术中存在的问题。本专利技术采取的技术方案为：一种提升同步电机对惯性响应的质量块装置，包括两个质量块、中心圆盘和转轴，两个质量块均为圆环结构，均环向分割成均等的四个1/4质量块，均采用螺栓别固定连接在中心圆盘两侧，转轴固定连接在中心圆盘中部，转轴与电机转子固定连接。优选的，上述质量块靠中心圆盘一侧外沿设置环状凸起带，中心圆盘两侧外沿设置有环状凹槽带，凸起带嵌入到环状凹槽带保持贴合，且质量块与中心圆盘的外径、厚度及制造材料均相同。一种提升同步电机对惯性响应的质量块装置的使用方法，该方法为：在中心圆盘的圆面上均匀设置十二个螺孔，在其两侧最多加装八个1/4质量块，在保持中心圆盘对称的前提下加装不同数量的质量块，即对于一侧的质量块分别加装零块、两块或四块1/4质量块，对于质量块应满足：R1＞Rr(1)l＞3D(2)其中R1为质量块的内径，Rr为转轴的半径，单位m；l为转轴的长度，D为质量块的厚度，单位m。中心圆盘两侧安装的1/4质量块总的转动惯量计算：式中D为质量块1的厚度，单位m；ρ为质量块1的体密度，单位kg/m3，根据质量块1的材料确定；R2为质量块1的外径，R1为质量块1的内径，单位m；M为中心圆盘4的整体质量，单位kg；J1为质量块1的转动惯量，J0为中心圆盘4的转动惯量，单位kg·m2；Jm为该质量块系统在不同质量块模式下的转动惯量；i为两侧共装配1/4质量块的数量(i＝0,2,4,6,8)。对于转轴的转动惯量，计算公式如下：式中ρr为转轴的体密度，单位kg/m3；l为转轴的长度，单位m；Rr为转轴的半径，单位m；Jr为该转轴的转动惯量，单位kg·m2；则整个同步电机对系统的转动惯量J为转轴转动惯量Jr和质量块装置Jm之和；同样的转动惯量，换算为惯性时间常数为：其中，SN为同步电机对系统的额定容量，单位VA；ω0为同步电机对系统的额定角速度，单位rad/s；同步电机对系统包含的转动动能为式(7)中所示，转动动能E(J)即代表同步电机对系统存储的全部动能：本专利技术的有益效果：与现有技术相比，本专利技术质量块装置可以满足同步电机对系统对不同转动惯量的需求，提升同步电机对系统对电网的惯性支撑作用。质量块和螺纹孔的对称均匀排布，使得电机高速旋转时各个质量块受力均匀，使质量块装置的离心力均匀分布；本专利技术通过中心圆盘和质量块的凹凸配合，使得两者贴合紧密，起到定位作用，提高加装转动惯量的精确性，简化紧固设计和用料，在高速旋转时可以保持较好的稳定性。附图说明图1为本专利技术质量块装置的立体结构示意图；图2为本专利技术质量块装置的左视结构示意图；图3为本专利技术质量块装置的侧视结构示意图；图4为本专利技术质量块装置的1/4质量块结构平面示意图；图5为本专利技术质量块装置的螺栓结构示意图；图6为本专利技术所述质量块装置的中心圆盘侧视结构示意图；图7为本专利技术所述质量块装置的质量块装配方本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种提升同步电机对惯性响应的质量块装置，其特征在于：包括两个质量块(1)、中心圆盘(4)和转轴(3)，两个质量块(1)均为圆环结构，均环向分割成均等的四个1/4质量块(8)，均采用螺栓(2)分别固定连接在中心圆盘(4)两侧，转轴(3)固定连接在中心圆盘(4)中部，转轴(3)与电机转子固定连接。/n
【技术特征摘要】
1.一种提升同步电机对惯性响应的质量块装置，其特征在于：包括两个质量块(1)、中心圆盘(4)和转轴(3)，两个质量块(1)均为圆环结构，均环向分割成均等的四个1/4质量块(8)，均采用螺栓(2)分别固定连接在中心圆盘(4)两侧，转轴(3)固定连接在中心圆盘(4)中部，转轴(3)与电机转子固定连接。
2.根据权利要求1所述的一种提升同步电机对惯性响应的质量块装置，其特征在于：质量块(1)靠中心圆盘(4)一侧外沿设置环状凸起带，中心圆盘(4)两侧外沿设置有环状凹槽带，凸起带嵌入到环状凹槽带保持贴合，且质量块(1)与中心圆盘(4)的外径、厚度及制造材料均相同。
3.根据权利要求1-2任一所述的一种提升同步电机对惯性响应的质量块装置的使用方法，其特征在于：该方法为：在中心圆盘(4)的圆面上均匀设置十二个螺孔(7)，在其两侧最多加装八个1/4质量块(8)，在保持中心圆盘(4)的对称的前提下加装不同数量的质量块，即对于一侧的质量块(1)分别加装零块、两块或四块1/4质量块(8)，对于质量块(1)应满足：
R1＞Rr(1)
l＞3D(2)
其中R1为质量块(1)的内径，Rr为转轴(3)的半径，单位m；l为转轴的长度，D为质量块(1)的厚度，单位...
【专利技术属性】
技术研发人员：陈巨龙，薛毅，张裕，何向刚，罗宁，王健，赵庆明，邓朴，罗文雲，张方银，
申请(专利权)人：贵州电网有限责任公司，
类型：发明
国别省市：贵州;52
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