【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于新能源电力系统，应用于大容量海上风电的输电过程中，具体为用于低频输电的同步电动发电机旋转变频系统控制方法。
技术介绍
1、我国海上风能资源丰富，且紧邻负荷中心，开发海上风电可以实现就近消纳，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；其中，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和运维成本的限制。此外，我国海上风电开发已逐步由近海走向中远海，如何采用更为经济的手段实现远距离低损耗的海上输电，值得本领域技术人员开展深入研究。
2、海上输电过程中，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，运行频率降低时，电容效应也相应降低。因此，采用低频输电方式，相较工频输电，可以降低海底线缆的输电损耗。然而，采用低频输电也存在一定缺陷，最主要的便是电能送岸后需要通过频率变换装置升频至工频，才能进行并网。现有技术中，频率变换装置主要为模块化多电平矩阵变换器(m3c)，在大功率应用背景下，这类电力电子装置的全生命周期投入成本较高，其惯量支撑和无功支撑能力差、注入谐波等问题显著。因此，本领域针对低频输电，有必要从新的方向实现技术突破。
3、电动发电机旋转变频系统作为新兴技术，通过少级数的电动机消纳送岸侧的低频电能，拖动同一轴系的多级数发电机工频并网发电，来实现海上风电的低频输电过程。在这一应用背景下，该系统相较于m3c装置具有较大优势。但是，目前国内对于该类旋转变频系统在海上风电
技术实现思路
1、基于
技术介绍
中的现状，本专利技术的目的是充分发挥电动发电机旋转变频系统的优势，因此提出了该系统针对低频输电场景下的特定控制方法。本专利技术方法使得该系统具备低频电网的构网建压能力，并且能为风机提供并网支撑与适配，顺利提高了整个输电系统的稳定可靠性。
2、本专利技术采用了以下技术方案来实现目的：
3、一种用于低频输电的同步电动发电机旋转变频系统控制方法，所述控制方法包括启动流程和运行流程，具体为以下步骤：
4、s1、构建旋转变频系统，旋转变频系统中的同步电动机转轴与同步发电机转轴同轴连接；
5、s2、进入启动流程，启动旋转变频系统：同步发电机首先以电动模式运行，启动装置从工频电网取电，提速同步发电机-同步电动机至工频同步转速，同步发电机并入工频电网，启动装置退出；
6、s3、同步电动机此时以发电模式运行并连接到低频电网，同步发电机并入工频电网后，在同步发电机拖动下旋转，同时达到低频同步转速；
7、s4、同步电动机对低频电网进行充电建压至额定电压，海上风机并入建压完成的低频电网，完成启动流程；
8、s5、进入运行流程，实现低频输电频率变换：当海上风机有出力时，经低频电网输出低频交流电功率，同步电动机此时以电动模式运行，消耗低频交流电功率并产生机械功率；同步发电机此时以发电模式运行，在同步电动机拖动下旋转，产生工频交流电功率并输入工频电网。
9、具体的，步骤s1中，所述旋转变频系统包括依次连接的海上风机、集电系统、海上升压站、海底交流电缆、陆上降压站、旋转变频机组、陆上升压站和大电网。
10、具体的，所述同步电动机与所述发同步电机的类型均为同步电动发电机，同步电动发电机的运行模式包括电动模式和发电模式；所述同步电动机与所述同步发电机具有不同的极对数，从而实现频率转换功能。
11、具体的，步骤s4中，同步电动机连接低频电网并达到低频同步转速后，使同步电动机励磁系统工作于电缆充电控制模式，并控制同步电动机逐步升压，为海底交流电缆进行充电，直至达到低频电网的额定电压；低频电网的充电建压完成后，使同步电动机励磁系统转为恒电压控制模式。
12、具体的，步骤s4中，当低频电网的充电建压完成后，以低频电网的额定电压为标准，将海上风机并入低频电网中，海上风机包括跟网型风机和构网型风机；所述跟网型风机以锁相方式并网，并采用矢量控制方式运行，所述构网型风机以同步方式并网，并采用虚拟发电机控制方式运行；所述跟网型风机和所述构网型风机的运行模式均包括pq模式和频率下垂模式。
13、优选的，步骤s4和s5中，同步电动机深度进相运行以消耗海底交流电缆产生的无功功率，同步电动机采用带有负向励磁电流的励磁装置，提高同步电动机进相运行的无功功率。
14、综上所述，由于采用了本技术方案，本专利技术的有益效果如下：
15、在本专利技术方法控制下的电动发电机旋转变频系统，其全生命周期成本较低，并网电能质量更好，同时具有强大的惯量支撑和无功支撑能力；本专利技术方法使得系统具备低频电网的构网建压能力，能为风电场内的跟网型风机提供并网支撑，也能与风电场内的构网型风机相适应。
16、在电压稳定性方面，传统电力电子器件的耐压和过流能力较低，且电力电子频率变换器的无功控制能力较小，无法提供足够的无功支撑，在电网故障情况下易导致新能源场站发生大规模脱网事故；而电动发电机旋转变频系统具有较大的短路容量，在本专利技术方法控制下，可分别为低频电网和工频电网提供较大的无功支撑，且其中的励磁系统具有强励磁能力，能够提高低频电网和工频电网的暂态稳定性。
17、在频率稳定性方面，传统电力电子频率变换器不具备惯性响应能力，而同步电动发电机旋转变频系统不仅保留了同步电机良好的惯性响应和阻尼特性，还通过机械轴的隔离作用，使新能源场站的低频电网与经输电后并入的工频电网之间电气故障的相互影响程度降至最小，从而提高了整个电力系统的频率稳定性。
18、本专利技术方法中，对于同步电动发电机旋转变频系统的励磁系统控制方式广泛兼容，可采用诸如pss技术或其他先进控制技术，提高系统阻尼，有效防止电力系统发生低频振荡；在本专利技术方法下，系统各设备相较于电力电子元件的控制过程，具有更长的寿命和更低的故障率。
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1.一种用于低频输电的同步电动发电机旋转变频系统控制方法，其特征在于，所述控制方法包括启动流程和运行流程，具体为以下步骤：
2.根据权利要求1所述的用于低频输电的同步电动发电机旋转变频系统控制方法，其特征在于：步骤S1中，所述旋转变频系统包括依次连接的海上风机、集电系统、海上升压站、海底交流电缆、陆上降压站、旋转变频机组、陆上升压站和大电网。
3.根据权利要求2所述的用于低频输电的同步电动发电机旋转变频系统控制方法，其特征在于：所述旋转变频机组包括同步电动机和同步发电机，同步电动机转轴与同步发电机转轴以同轴机械连接方式相连；同步电动机与陆上降压站相连，同步发电机与陆上升压站相连。
4.根据权利要求3所述的一种用于低频输电的同步电动发电机旋转变频系统控制方法，其特征在于：所述同步电动机与所述发同步电机的类型均为同步电动发电机，同步电动发电机的运行模式包括电动模式和发电模式；所述同步电动机与所述同步发电机具有不同的极对数。
5.根据权利要求2所述的用于低频输电的同步电动发电机旋转变频系统控制方法，其特征在于：所述工频电网由陆上升压站和大
6.根据权利要求1所述的用于低频输电的同步电动发电机旋转变频系统控制方法，其特征在于：步骤S2中，同步发电机依据启动装置的要求投入励磁，启动装置从工频电网取电，从而拖动同步发电机从零转速逐步提速至工频同步转速后，并入工频电网中；在同步发电机并入工频电网后，将同步发电机励磁系统转为恒电压控制模式，此时即完成同步发电机的启动过程。
7.根据权利要求6所述的用于低频输电的同步电动发电机旋转变频系统控制方法，其特征在于：步骤S3中，同步电动机在同步发电机拖动下旋转，同时达到低频同步转速，此时将同步电动机已连接低频电网。
8.根据权利要求7所述的用于低频输电的同步电动发电机旋转变频系统控制方法，其特征在于：步骤S4中，同步电动机连接低频电网并达到低频同步转速后，使同步电动机励磁系统工作于电缆充电控制模式，并控制同步电动机逐步升压，为海底交流电缆进行充电，直至达到低频电网的额定电压；低频电网的充电建压完成后，使同步电动机励磁系统转为恒电压控制模式。
9.根据权利要求8所述的用于低频输电的同步电动发电机旋转变频系统控制方法，其特征在于：所述同步电动机的设计形式包括隐极设计形式和凸极设计形式；隐极设计形式存在一个自励磁区域，凸极设计形式存在两个自励磁区域；在低频电网的充电建压及旋转变频系统的运行过程中，依据海底交流电缆参数，通过对同步电动机电抗参数进行设计核算的方式，防止同步电动机进入不可控自励磁状态。
10.根据权利要求1所述的用于低频输电的同步电动发电机旋转变频系统控制方法，其特征在于：步骤S4中，当低频电网的充电建压完成后，以低频电网的额定电压为标准，将海上风机并入低频电网中，海上风机包括跟网型风机和构网型风机；所述跟网型风机以锁相方式并网，并采用矢量控制方式运行，所述构网型风机以同步方式并网，并采用虚拟发电机控制方式运行；所述跟网型风机和所述构网型风机的运行模式均包括PQ模式和频率下垂模式。
11.根据权利要求1所述的用于低频输电的同步电动发电机旋转变频系统控制方法，其特征在于：步骤S4和S5中，同步电动机深度进相运行以消耗海底交流电缆产生的无功功率，同步电动机采用带有负向励磁电流的励磁装置，提高同步电动机进相运行的无功功率。
...【技术特征摘要】
1.一种用于低频输电的同步电动发电机旋转变频系统控制方法，其特征在于，所述控制方法包括启动流程和运行流程，具体为以下步骤：
2.根据权利要求1所述的用于低频输电的同步电动发电机旋转变频系统控制方法，其特征在于：步骤s1中，所述旋转变频系统包括依次连接的海上风机、集电系统、海上升压站、海底交流电缆、陆上降压站、旋转变频机组、陆上升压站和大电网。
3.根据权利要求2所述的用于低频输电的同步电动发电机旋转变频系统控制方法，其特征在于：所述旋转变频机组包括同步电动机和同步发电机，同步电动机转轴与同步发电机转轴以同轴机械连接方式相连；同步电动机与陆上降压站相连，同步发电机与陆上升压站相连。
4.根据权利要求3所述的一种用于低频输电的同步电动发电机旋转变频系统控制方法，其特征在于：所述同步电动机与所述发同步电机的类型均为同步电动发电机，同步电动发电机的运行模式包括电动模式和发电模式；所述同步电动机与所述同步发电机具有不同的极对数。
5.根据权利要求2所述的用于低频输电的同步电动发电机旋转变频系统控制方法，其特征在于：所述工频电网由陆上升压站和大电网组成；所述低频电网由海上风机、集电系统、海上升压站、海底交流电缆和陆上降压站组成；所述旋转变频机组用于连接所述工频电网与所述低频电网。
6.根据权利要求1所述的用于低频输电的同步电动发电机旋转变频系统控制方法，其特征在于：步骤s2中，同步发电机依据启动装置的要求投入励磁，启动装置从工频电网取电，从而拖动同步发电机从零转速逐步提速至工频同步转速后，并入工频电网中；在同步发电机并入工频电网后，将同步发电机励磁系统转为恒电压控制模式，此时即完成同步发电机的启动过程。
7.根据权利要求6所述的用于低频输电的同...
【专利技术属性】
技术研发人员：杨伟，郑小康，何启源，刘健俊，晏明，何鑫，唐若愚，
申请(专利权)人：东方电气集团东方电机有限公司，
类型：发明
国别省市：
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