一种基于液力耦合的储能调相机装置的制作方法

1.本实用新型涉及电机与电器技术领域，并且更具体地，涉及一种基于液力耦合的储能调相机装置。


背景技术：

2.随着国家能源战略的推进，十四五期间每年新能源装机将突破1亿千瓦，新能源比例的大幅提高时电力系统电力电子化趋势日益加重，电力系统的电压支撑、惯量支撑和调频能力持续减弱，严重威胁电力系统的安全稳定运行。为此，2019年发布的gb 38755《电力系统安全稳定导则》要求新能源场站应向系统提供一定的短路容量和惯量支撑；同时要求新能源场站应提高调节能力，必要时应配置燃气电站、抽水蓄能电站、储能电站等调节资源及调相机、静止同步补偿器、静止无功补偿器等动态无功调节设备。
3.根据以往研究成果和国标要求，利用小型分布式调相机对新能源地区进行就地无功补偿和惯量支撑可望较好地解决新能源消纳和提升电网稳定水平问题，是当前主要技术方案之一。目前新型分布式调相机可以向系统提供4-5倍自身额定容量的短路容量，不过其惯性时间常数只有同容量发电机组的30％～50％，考虑到调相机容量通常只有配套新能源场站或分布式能源额定容量的25％，因此调相机对系统的惯性支撑能力相对匮乏。
4.此外，随着gb 38755的发布，新能源场站一次调频也将面临更加严格的考核，新能源场站预留备用容量或增加储能设备参与一次调频可能是未来主要的技术方向。然而，预留备用容量无疑会降低新能源的有效利用小时数，经济效益不佳。


技术实现要素：

5.本实用新型提出一种基于液力耦合的储能调相机装置，以解决如何提高调相机的惯性时间常数同时使调相机具备一次调频能力的问题。
6.为了解决上述问题，根据本实用新型的一个方面，提供了一种基于液力耦合的储能调相机装置，所述装置包括：同步调相机、液力耦合器设备和储能飞轮设备；其中，
7.所述液力耦合器设备的动力输入端与所述同步调相机相连接，所述液力耦合器设备的动力输出端与所述储能飞轮设备的动力输入端相连接；
8.所述同步调相机通过与液力耦合器设备连接的储能飞轮设备能够提升调相机装置的惯性时间常数，实现保持系统频率稳定；
9.当电网频率升高时，所述储能飞轮设备能够通过液力耦合器设备使储能飞轮升速，使整个装置从电网吸收有功功率上升；当电网频率下降时，所述储能飞轮设备能够通过液力耦合器设备使储能飞轮减速，使整个装置从电网吸收的有功功率降低或向电网送出有功功率，使得调相机装置具备一次调频功能；
10.其中，所述储能飞轮设备置于真空箱体内。
11.优选地，其中述液力耦合器设备，为可调速的液力耦合设备。
12.优选地，其中所述可调速的液力耦合设备，包括：输入轴、泵轮、涡轮、勺管、齿轮组
和输出轴；其中，
13.所述输入轴的一端与所述同步调相机相连接，另一端与所述泵轮相连接；所述泵轮和涡轮组成一个使液体循环流动的密闭工作腔，所述勺管插入所述密闭工作腔中，所述密闭工作腔中填充有工作油；所述涡轮与所述齿轮组的一端相连接；所述齿轮组的另一端与所述输出轴的一端相连接，所述输出轴的另一端与所述储能飞轮设备相连接；所述同步调相机通过所述输入轴带动所述泵轮同步旋转，当所述输入轴带动泵轮旋转时，在泵轮内叶片及腔的共同作用下，工作油将获得能量并在惯性离心力的作用下，被送到泵轮的外圆周侧，形成高速油流，泵轮外圆周侧的高速油流又以径向相对速度与泵轮出口的圆周速度组成合速度，冲入涡轮的进口径向流道，并沿着涡轮的径向流道通过油流动量矩的变化而推动涡轮旋转，油流至涡轮出口处又以其径向相对速度与涡轮出口处的圆周速度组成合速度，流入泵轮的径向流道，并在泵轮中重新获得能量，重复获得能量的过程，形成工作油在泵轮和涡轮中的循环流动圆，使得泵轮把输入的机械功转换为油的动能，而涡轮则把油的动能转换成为输出的机械能，带动齿轮组转动；当所述勺管插入密闭工作腔的最深处时，循环圆中油量最小，泵轮和涡轮转速偏差大，输出转速最低；当所述勺管插入密闭工作腔的最浅处时，循环圆中油量最大，泵轮和涡轮转速的偏差满足预设的偏差阈值，输出转速最大。
14.优选地，其中所述装置还包括：
15.电液控制器，与所述勺管相连接，用于当电网频率升高时，控制所述勺管降低，使所述储能飞轮设备的储能飞轮升速，实现整个系统从电网吸收的有功功率上升，降低电网频率；当电网频率下降时，控制所述勺管升高，所述储能飞轮设备的储能飞轮减速，实现整个系统从电网吸收的有功功率降低或向电网送出有功功率。
16.优选地，其中所述齿轮组包括：第一齿轮和第二齿轮；其中，所述第一齿轮和第二齿轮相啮合；所述第一齿轮与所述输入轴同轴连接，所述第二齿轮与所述输出轴同轴连接。
17.优选地，其中所述第一齿轮与第二齿轮的传动比大于1。
18.优选地，其中所述装置还包括：固定保护箱体，所述液力耦合器设备置于所述固定保护箱体内。
19.优选地，其中所述固定保护箱体与所述输入轴和输入轴之间均设置有轴承。
20.本实用新型提供了一种基于液力耦合的储能调相机装置，包括：同步调相机、液力耦合器设备和储能飞轮设备；能够解决调相机惯性时间常数偏小的问题，同时可充分利用电液耦合器与储能飞轮设备相连，通过变速调节的方式向电网提供一定的一次调频功能。
附图说明
21.通过参考下面的附图，可以更为完整地理解本实用新型的示例性实施方式：
22.图1为根据本实用新型实施方式的基于液力耦合的储能调相机装置100的结构示意图；
23.图2为根据本实用新型实施方式的基于液力耦合的储能调相机装置的实体图。
具体实施方式
24.现在参考附图介绍本实用新型的示例性实施方式，然而，本实用新型可以用许多不同的形式来实施，并且不局限于此处描述的实施例，提供这些实施例是为了详尽地且完
全地公开本实用新型，并且向所属技术领域的技术人员充分传达本实用新型的范围。对于表示在附图中的示例性实施方式中的术语并不是对本实用新型的限定。在附图中，相同的单元/元件使用相同的附图标记。
25.除非另有说明，此处使用的术语(包括科技术语)对所属技术领域的技术人员具有通常的理解含义。另外，可以理解的是，以通常使用的词典限定的术语，应当被理解为与其相关领域的语境具有一致的含义，而不应该被理解为理想化的或过于正式的意义。
26.图1为根据本实用新型实施方式的基于液力耦合的储能调相机装置100的结构示意图。如图1所示，本实用新型实施方式提供的基于液力耦合的储能调相机装置，包括：同步调相机、液力耦合器设备和储能飞轮设备；能够解决调相机惯性时间常数偏小的问题，同时可充分利用电液耦合器与储能飞轮设备相连，通过变速调节的方式向电网提供一定的一次调频功能。本实用新型实施方式提供的基于液力耦合的储能调相机装置100，包括：同步调相机101、液力耦合器设备102和储能飞轮设备103。
27.优选地，所述液力耦合器设备102的动力输入端与所述同步调相机101相连接，所述液力耦合器设备的动力输出端与所述储能飞轮设备103的动力输入端相连接；
28.所述同步调相机通过与液力耦合器设备连接的储能飞轮设备能够提升调相机装置的惯性时间常数，实现保持系统频率稳定；
29.同时，当电网频率升高时，所述储能飞轮设备能够通过液力耦合器设备使储能飞轮升速，使整个装置从电网吸收有功功率上升；当电网频率下降时，所述储能飞轮设备能够通过液力耦合器设备使储能飞轮减速，使整个装置从电网吸收的有功功率降低或向电网送出有功功率，使得调相机装置具备一次调频功能。
30.优选地，其中所述储能飞轮设备置于真空箱体内。
31.优选地，其中述液力耦合器设备，为可调速的液力耦合设备。本实用新型要解决的技术问题在于，如何在大幅提升同步调相机的惯性时间常数的同时，使其作为一个机械储能设备，使调相机装置具备一定的一次调频功能。在本实用新型中，基于液力耦合的储能调相机装置由同步调相机、可变速调节的液力耦合器设备和储能飞轮设备组成，如附图2所示。图中，最左侧1为调相机，中间2为可调速液力耦合器设备，最右侧3为储能飞轮设备；调相机与储能飞轮设备通过可调速的液力耦合器设备相连。另外为减小鼓风摩擦损耗，储能飞轮设备设置于真空箱体内。
32.在本实用新型中，所述同步调相机通过液力耦合器相联的储能飞轮设备可以大幅提升调相机的惯性时间常数，实现保持系统频率稳定；同时，当电网频率升高时，装置应通过液力耦合器使储能飞轮设备的转子升速，使整个装置从电网吸收电能并转化为储能飞轮的机械能。当电网频率升高时，所述储能飞轮设备能够通过液力耦合器设备使储能飞轮升速，使整个装置从电网吸收有功功率上升；当电网频率下降时，所述储能飞轮设备能够通过液力耦合器设备使储能飞轮减速，使整个装置从电网吸收的有功功率降低或向电网送出有功功率，从而使调相机装置具备一定的一次调频功能。其中，调频功率的大小与液力耦合器的频率变化速度有关，液力耦合器频率变化速度越快，飞轮转速的变化越快，一次调频功能响应越快。
33.在电力系统中，衡量机组惯性支撑能力的一个重要指标是机组的惯性时间常数tj。受电磁设计和制造成本的限制，调相机本身的惯性时间常数通常在4-6s，进一步提高惯
性时间常数已经非常困难。因此，本实用新型为增加机组的惯性时间常数，采用加装同轴飞轮的方式。加装的储能飞轮设备的惯性时间常数t
jl
与其转动惯量j
l
、转速ωr、调相机视在功率sn之间的关系为：由上式可知，飞轮的惯性时间常数与其转速的平方成正比。因此通过传动比为i的齿轮组可以将飞轮转速nr提高i倍，即飞轮以转速n
r＝
ins旋转。
34.另外，由于调相机本体转速取决于系统频率，转速基本不变，因此并网运行期间，调相机自身储存的机械能无法转化为一次调频功率。本实用新型通过调速型液力耦合器设备改变储能飞轮设备的转速，实现储能飞轮设备从电网吸收的有功功率提升或降低，从而实现一次调频的目的。
35.优选地，其中所述可调速的液力耦合设备，包括：输入轴、泵轮、涡轮、勺管、齿轮组和输出轴；其中，
36.所述输入轴的一端与所述同步调相机相连接，另一端与所述泵轮相连接；所述泵轮和涡轮组成一个使液体循环流动的密闭工作腔，所述勺管插入所述密闭工作腔中，所述密闭工作腔中填充有工作油；所述涡轮与所述齿轮组的一端相连接；所述齿轮组的另一端与所述输出轴的一端相连接，所述输出轴的另一端与所述储能飞轮设备相连接；所述同步调相机通过所述输入轴带动所述泵轮同步旋转，当所述输入轴带动泵轮旋转时，在泵轮内叶片及腔的共同作用下，工作油将获得能量并在惯性离心力的作用下，被送到泵轮的外圆周侧，形成高速油流，泵轮外圆周侧的高速油流又以径向相对速度与泵轮出口的圆周速度组成合速度，冲入涡轮的进口径向流道，并沿着涡轮的径向流道通过油流动量矩的变化而推动涡轮旋转，油流至涡轮出口处又以其径向相对速度与涡轮出口处的圆周速度组成合速度，流入泵轮的径向流道，并在泵轮中重新获得能量，重复获得能量的过程，形成工作油在泵轮和涡轮中的循环流动圆，使得泵轮把输入的机械功转换为油的动能，而涡轮则把油的动能转换成为输出的机械能，带动齿轮组转动；当所述勺管插入密闭工作腔的最深处时，循环圆中油量最小，泵轮和涡轮转速偏差大，输出转速最低；当所述勺管插入密闭工作腔的最浅处时，循环圆中油量最大，泵轮和涡轮转速的偏差满足预设的偏差阈值，输出转速最大。
37.优选地，其中所述装置还包括：
38.电液控制器，与所述勺管相连接，用于当电网频率升高时，控制所述勺管降低，使所述储能飞轮设备的储能飞轮升速，实现整个系统从电网吸收的有功功率上升，降低电网频率；当电网频率下降时，控制所述勺管升高，所述储能飞轮设备的储能飞轮减速，实现整个系统从电网吸收的有功功率降低或向电网送出有功功率。
39.优选地，其中所述齿轮组包括：第一齿轮和第二齿轮；其中，所述第一齿轮和第二齿轮相啮合；所述第一齿轮与所述输入轴同轴连接，所述第二齿轮与所述输出轴同轴连接。
40.优选地，其中所述第一齿轮与第二齿轮的传动比大于1。
41.优选地，其中所述装置还包括：固定保护箱体，所述液力耦合器设备置于所述固定保护箱体内。
42.优选地，其中所述固定保护箱体与所述输入轴和输入轴之间均设置有轴承。
43.优选地，其中当所述同步调相机启动时，所述液力耦合器设备处于排空状态。
44.如图2所示，在本实用新型中，可调速的液力耦合设备2，包括：输入轴4、泵轮5、涡轮6、勺管7、齿轮组8和输出轴9。其中，所述泵轮和涡轮组成一个使液体循环流动的密闭工
作腔，所述勺管插入所述密闭工作腔中，所述密闭工作腔中填充有工作油；所述同步调相机通过所述输入轴带动所述泵轮同步旋转，当所述输入轴带动泵轮旋转时，在泵轮内叶片及腔的共同作用下，工作油将获得能量并在惯性离心力的作用下，被送到泵轮的外圆周侧，形成高速油流，泵轮外圆周侧的高速油流又以径向相对速度与泵轮出口的圆周速度组成合速度，冲入涡轮的进口径向流道，并沿着涡轮的径向流道通过油流动量矩的变化而推动涡轮旋转，油流至涡轮出口处又以其径向相对速度与涡轮出口处的圆周速度组成合速度，流入泵轮的径向流道，并在泵轮中重新获得能量，重复获得能量的过程，形成工作油在泵轮和涡轮中的循环流动圆，使得泵轮把输入的机械功转换为油的动能，而涡轮则把油的动能转换成为输出的机械能，从而带动齿轮组转动；当所述勺管插入密闭工作腔的最深处时，循环圆中油量最小，泵轮和涡轮转速偏差大，输出转速最低；当所述勺管插入密闭工作腔的最浅处时，循环圆中油量最大，泵轮和涡轮转速偏差小，输出转速最大。
45.当所述同步调相机启动时，所述液力耦合器设备处于排空状态，以使所述同步调相机与所述储能飞轮设备处于分离状态，减小所述同步调相机启动时对弱电网的冲击。
46.本实用新型通过电液控制器对勺管的高度进行控制，当电网频率升高时，控制所述勺管降低，使所述储能飞轮设备的储能飞轮升速，实现整个系统从电网吸收的有功功率上升，从而降低电网频率；当电网频率下降时，控制所述勺管升高，使所述储能飞轮设备的储能飞轮减速，实现整个系统从电网吸收的有功功率降低或向电网送出有功功率，从而提高电网频率。
47.所述齿轮组包括：第一齿轮和第二齿轮；其中，所述第一齿轮和第二齿轮相啮合。第一齿轮与第二齿轮的传动比大于1。具体地，传动比可以根据需求设定，从而再根据传动比设置储能飞轮设备的尺寸等参数。另外，所述液力耦合器设备，还包括：固定保护箱体，所述输入轴、泵轮、涡轮、勺管、齿轮组和输出轴均设置于所述固定保护箱体内。所述固定保护箱体与所述输入轴和输入轴之间均设置有轴承(图中未示出)。
48.以50mw新能源场站所需小型分布式调相机为例，按照新能源场站不低于20％的动态无功配置比例，50mw新能源场站调相机容量约10mvar，调相机本体惯性时间常数tj约为5s。本实例中调相机通过液力耦合器与飞轮相连，飞轮提供20s的惯性时间常数，由此整个调相机系统可以提供的惯性时间常数为25s，折算到新能源场站的惯性时间常数为25s*10/50＝5s，即在新能源场站按照20％的容量配比安装一台本实用新型专利的调相机后，新能源场站等效的惯性时间常数增加5s。
49.本实例中，假设齿轮组传动比为i，若调相机转速为3000rpm，则飞轮基准转速为3000i。考虑到飞轮高速旋转时材料的承受能力，本实例中齿轮组的传动比可在3-4倍之间，当调相机以3000rpm旋转时，飞轮工作转速为9000-12000rpm。当齿轮组结构参数确定后，其转速调节范围主要取决于液力耦合器的调速特性。调速范围越宽，飞轮系统可能向电网提供的调频能力越大。
50.不考虑损耗，电网频率升高时，飞轮系统向电网提供的调频电能为：(1.44-1)
×
t
jl
×
sn/2＝20
×
10
×
0.22mw.s＝44mw.s＝12.22kw.h；当电网频率降低时，飞轮系统向电网提供的调频电能为：(1-0.64)
×
t
jl
×
sn/2＝20
×
10
×
0.18mw.s＝36mw.s＝10kw.h。按照新能源场站10％的一次调频功率计算，本实例中所需调频功率为5mw，飞轮系统可以在电网频率升高和下降时分别提供8.8s和7.2s的全额一次调频支撑。
51.本实用新型的基于液力耦合的储能调相机装置，利用可调速的液力耦合器设备将同步调相机和储能飞轮设备进行液力耦合，在大幅提升惯性时间常数的同时实现对新能源场站一次调频的支撑。
52.已经通过参考少量实施方式描述了本实用新型。然而，本领域技术人员所公知的，正如附带的专利权利要求所限定的，除了本实用新型以上公开的其他的实施例等同地落在本实用新型的范围内。
53.通常地，在权利要求中使用的所有术语都根据他们在技术领域的通常含义被解释，除非在其中被另外明确地定义。所有的参考“一个/所述/该[装置、组件等]”都被开放地解释为所述装置、组件等中的至少一个实例，除非另外明确地说明。这里公开的任何方法的步骤都没必要以公开的准确的顺序运行，除非明确地说明。
[0054]
本领域内的技术人员应明白，本技术的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本技术可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本技术可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、cd-rom、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
[0055]
本技术是参照根据本技术实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
[0056]
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
[0057]
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
[0058]
最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本实用新型进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本实用新型的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本实用新型精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本实用新型的权利要求保护范围之内。