CN105932720A - 一种高压大容量储能虚拟同步机系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高压大容量储能虚拟同步机系统，属于电力电子技术领域。本发明基于虚拟同步发电机（VSG）原理，通过变流并联单元在低压母线汇流，通过升压变压器实现高压挂网，避免了高压电池悬浮难题；各个模块统一控制、协调运行。本发明相对链式结构，占地小，成本低，增容方便，更易于产业化。同时本发明还公开了另一种含多升压变压器的高压大容量储能虚拟同步机系统，该系统与本发明公开的上述系统相比，将并联汇流点移到了高压母线，适合在大容量升压变存在制造困难时使用，同样具有较大的应用推广前景。

Description

一种高压大容量储能虚拟同步机系统

技术领域

本发明属于电力电子技术领域，主要涉及一种高压大容量储能虚拟同步机系统。

背景技术

电力作为清洁高效的能源形势，对社会、经济的发展起着至关重要的作用。为了应对能源和环境的压力，风能、太阳能等可再生分布式新能源受到越来越多的关注。分布式发电在改善电网运行经济性、优化电力系统运行方式及构建环境友好型电力系统等方面均有重要意义。

分布式电源一般通过并网逆变器接入电网，其具有控制灵活、响应快速等优点，但也存在缺少惯量和阻尼等不足。随着分布式电源渗透率的不断增加，传统同步发电机的装机比例逐渐降低，电力系统中的旋转备用容量及转动惯量逐步减少；再者，并网逆变器控制策略各异，电源输出功率存在波动和不确定性，很难实现自主协调运行，这些对电网的安全稳定带来了严峻的挑战。

集成了并网逆变器技术，可模拟传统同步发电机的外特性的虚拟同步发电机（Virtual Synchronous Generator, VSG）技术应运而生。储能虚拟同步机（VSG）是虚拟同步机中的一类，直流侧仅带储能系统（不含可再生能源）。该系统的特点是，一方面可以通过模拟同步发电机的本体模型、有功调频和无功调压等特性，使并网逆变器可与传统同步发电机的运行机制相比拟，从而改善所在电网的稳定性，另一方面利用储能系统，储能VSG还可以吸纳电网中多余的可再生并网能源、实现削峰填谷等功能。

目前对储能虚拟同步机的研究大多集中在低压、小容量领域，高压、大容量领域的研究拓扑主要基于H桥链式和MMC链式结构。链式结构将储能VSG系统划分为多个链节单元，接线复杂，占地大、推高了电池成本，且各个链节储能单元存在悬浮隔离问题，绝缘成本高。此外，链式结构的链节不能无限堆积，目前成熟的直挂电压等级为10kV，在更高的电压等级上大容量的升压变压仍然无法省略。因而链式结构的高压大容量储能VSG存在占地大、成本高等问题，实际建设难度大。

发明内容

本发明目的是：针对现有技术中高压大容量链式结构储能VSG存在的缺陷，提出新式的高压大容量储能虚拟同步机系统。

具体地说，本发明所采取的技术方案是：一种高压大容量储能虚拟同步机系统，包括升压单元、控制保护系统以及多个储能虚拟同步机模块，所述升压单元包括升压变压器和高压交流开关，升压变压器的一端与低压母线相连，另一端经高压交流开关连接到高压母线；所述储能虚拟同步机模块由变流并联单元和直流储能单元组成，变流并联单元包括变流器、交流输出电抗器、交流滤波电容、交流EMI电路、低压交流开关和直流EMI电路，直流储能单元经直流EMI电路与变流器的直流侧相连，交流输出电抗器与交流滤波电容构成交流输出滤波电路，变流器的交流侧经交流输出滤波电路与交流EMI电路的一端相连，交流EMI电路的另一端经低压交流开关连接到低压母线；所述控制保护系统包括中央控制器和多个分控制器，中央控制器用于实现整个系统与各个储能虚拟同步机模块的投切和保护，通过低压母线的汇流排和升压变压器采集系统的整体运行状况信息以及接受各个分控制器上送的相应储能虚拟同步机模块的信息以实现系统监控，向外部上位机上送采集数据和接收外部上位机指令以实现人机交互，并根据实际工况和运行指令给各个分控制器下发控制指令以完成系统的整体协调控制和并联环流控制；每个分控制器分别控制一个储能虚拟同步机模块，每个分控制器接受中央控制器的控制指令，采集相应储能虚拟同步机模块的运行信息和状态信息，控制相应储能虚拟同步机模块输出，实现虚拟同步机控制以及相应储能虚拟同步机模块的本模块保护。

上述技术方案由于通过变流并联单元在低压母线汇流，再通过升压变压器实现高压挂网，可以避免了高压电池悬浮难题，各个模块可以统一控制、协调运行。

上述技术方案中变流器可以为基于IGBT器件的三相桥式变流电路，从而实现功率的四象限运行。

上述技术方案中储能虚拟同步机模块的直流储能单元与直流EMI电路相连有多种连接方式，如可以通过直流开关与直流EMI电路相连，或者通过非隔离的DC/DC电路与直流EMI电路相连，或者通过带隔离的DC/DC电路与直流EMI电路相连，这三种方式分别适用于直流储能单元的电压能满足变流器直流支撑电压使其能在各工况下完成四象限运行的情形、直流储能单元的电压达不到变流器直流支撑电压的情形以及对储能环节的隔离有较高要求的情形。

上述的非隔离的DC/DC电路可以为基于IGBT器件的BOOST升压电路，该电路用带反并联二极管的IGBT替代了传统BOOST电路的二极管，既能保证功率的双向流动，又能起到直流开关的作用。

上述的带隔离的DC/DC电路可以为带隔离变压器的双边H桥电路，这种方式在完成电气隔离的同时具备直流电压调整功能。

本发明同时还公开了另一种高压大容量储能虚拟同步机系统，其技术方案是：包括控制保护系统和多个含升压单元的储能虚拟同步机模块，所述含升压单元的储能虚拟同步机模块由升压单元、变流并联单元和直流储能单元组成，升压单元包括升压变压器和高压交流开关，变流并联单元的直流侧与直流储能单元相连、交流测与升压变压器的一端相连，升压变压器的另一端经高压交流开关连接到高压母线；所述控制保护系统包括中央控制器和多个分控制器，中央控制器用于实现整个系统与各个含升压单元的储能虚拟同步机模块的投切和保护，通过高压母线的汇流排和各个含升压单元的储能虚拟同步机模块的升压变压器采集系统的整体运行状况信息以及接受各个分控制器上送的相应含升压单元的储能虚拟同步机模块的信息以实现系统监控，向外部上位机上送采集数据和接收外部上位机指令以实现人机交互，并根据实际工况和运行指令给各个分控制器下发控制指令以完成系统的整体协调控制和并联环流控制；每个分控制器分别控制一个含升压单元的储能虚拟同步机模块，每个分控制器接受中央控制器的控制指令，采集相应含升压单元的储能虚拟同步机模块的运行信息和状态信息，控制相应含升压单元的储能虚拟同步机模块的输出，实现虚拟同步机控制以及相应含升压单元的储能虚拟同步机模块的本模块保护。

从上述技术方案可知，其与本发明之前公开的高压大容量储能虚拟同步机系统相比，主要就是将单一的升压单元分为多个升压单元，并与各个储能虚拟同步机模块组合起来形成含升压单元的储能虚拟同步机模块。这样可以通过以若干个小容量的升压变压器来代替一个大容量的升压变压器，特别适合在大容量升压变压器存在制造困难时的应用，同时进一步提高系统的统一模块化的设计水平。

与本发明之前公开的高压大容量储能虚拟同步机系统类似，上述技术方案中变流并联单元的形式，也可以为包括变流器、交流输出电抗器、交流滤波电容、交流EMI电路、低压交流开关和直流EMI电路，直流储能单元经直流EMI电路与变流器的直流侧相连，交流输出电抗器与交流滤波电容构成交流输出滤波电路，变流器的交流侧经交流输出滤波电路与交流EMI电路的一端相连，交流EMI电路的另一端经低压交流开关连接到升压变压器。

与本发明之前公开的高压大容量储能虚拟同步机系统类似，上述技术方案中含升压单元的储能虚拟同步机模块的直流储能单元与直流EMI电路相连也有多种连接方式，如通过直流开关或者通过非隔离的DC/DC电路或者通过带隔离的DC/DC电路与直流EMI电路相连，所述非隔离的DC/DC电路可以为基于IGBT器件的BOOST升压电路，所述带隔离的DC/DC电路可以为带隔离变压器的双边H桥电路。

本发明的有益效果如下：本发明的两种高压大容量储能虚拟同步机系统，都采用模块化的设计思路，分别在低压母线或高压母线侧完成并联，通过升压变压器实现高压挂网。相比链式结构，本发明的储能环节单元少，无悬浮绝缘要求，体积小、成本低，且直流侧不存在共模干扰，有利于储能系统的可靠稳定运行。同时变流并联控制简单、运行可靠，系统更容易模块化，增容方便，更易维护，从而大大降低了储能VSG的施工成本和难度，工程应用前景广阔。

附图说明

图1为本发明实施例1的结构图。

图2为本发明实施例1的控制系统框图。

图3为本发明实施例2的结构图。

图4 为本发明直流储能单元的连接方式图。

具体实施方式

下面结合实施例并参照附图对本发明作进一步详细描述。

实施例1：

本发明的实施例1为一种高压大容量储能虚拟同步机系统，主要由升压单元、控制保护系统以及n个储能虚拟同步机模块（即储能VSG模块）组成，其系统结构如图1所示。

如图1，升压单元包括升压变压器（图1中为MW级）和高压交流开关，升压变压器用于完成升压功能，其一端与低压母线相连，另一端经高压交流开关连接到高压母线，可为三相双绕组结构。高压交流开关用于控制整系统的投入与切出。

如图1，储能虚拟同步机模块由变流并联单元（图1中为MW级）和直流储能单元（即图1中的电池储能柜）组成。变流并联单元包括变流器、交流输出电抗器、交流滤波电容、交流EMI电路、低压交流开关和直流EMI电路，直流储能单元（电池储能柜）经直流EMI电路与变流器的直流侧相连，交流输出电抗器与交流滤波电容构成交流输出滤波电路，变流器的交流侧经交流输出滤波电路与交流EMI电路的一端相连，交流EMI电路的另一端经低压交流开关连接到低压母线。

本实施例的变流器为基于IGBT器件的三相桥式变流电路，可实现功率的四象限运行。交流输出电抗器辅助实现变流器的低压母线汇流和功率输出，交流滤波电容采用三相△结构，配合交流输出电抗器完成交流输出滤波。交流EMI电路用于去除交流输出的工模及差模干扰。低压交流开关控制单个储能VSG模块的投入与切出。直流EMI电路用于消除直流母线的波动和干扰，保证储能系统的安全可靠工作。

上述部分的工作原理是：升压变压器实现整个系统在高压母线的挂网，变流并联单元在直流储能单元的支持下，n个模块协调运行，模拟同步发电机的外特性，并根据电网实际运行工况，完成调压调频、削峰填谷等功能。直流储能单元采用蓄电池，在变流器的支配下对电网进行有功支援和有功存储。

如图4所示，在实际实施过程中，储能虚拟同步机模块的直流储能单元和变流器直流侧有多种连接方式。

在直流储能单元的储能电池串联电压能满足变流器直流支撑电压使其能在各工况下完成四象限运行的前提下，可考虑通过直流开关直连方式，即储能虚拟同步机模块的直流储能单元通过直流开关与直流EMI电路相连，具体见图1及图4（1）。这种方式结构简单，控制便捷，成本较低。

在直流储能单元的储能电池串联电压达不到变流器直流侧支撑电压时，要考虑通过DC/DC连接实现直流电压的调整，即储能虚拟同步机模块的直流储能单元通过非隔离的DC/DC电路与直流EMI电路相连，最简单的就是基于IGBT器件的BOOST升压电路，具体见图4（2）。该电路用带反并联二极管的IGBT替代了传统BOOST电路的二极管，即能保证功率的双向流动，又能起到直流开关的作用，其成本也较低，只是结构和控制比上面的直流开关直连方式稍显复杂而已。

至于在对储能环节的隔离有较高要求的应用场合，就必须采用带隔离的DC/DC连接，即储能虚拟同步机模块的直流储能单元通过带隔离的的DC/DC电路与直流EMI电路相连，具体可采用带隔离变压器的双边H桥结构，见图4（3）。这种方式在完成电气隔离的同时具备直流电压调整功能，但结构与控制复杂，其中的大容量高频变制作难度较大，成本较高，仅适合对隔离要求特别高的场合。

系统的控制保护系统构架如图2所示，为两层控制架构，包括顶层的中央控制器和第二层的多个分控制器。

中央控制器为系统的控制中枢，一方面通过低压母线的汇流排和升压变压器采集系统的整体运行状况信息，并接受各个分控制器上送的相应储能虚拟同步机模块的信息，实现对系统的监控，另一方面向外部上位机上送采集数据和接收外部上位机指令以实现人机交互。同时中央控制器还根据实际工况和运行指令给各个分控制器下发控制指令，完成系统的整体协调控制和并联环流控制，并通过控制系统的交流开关（含高压交流开关和各低压交流开关）实现整个系统与各个储能虚拟同步机模块的投切和保护（即实现系统的全局保护控制）。

每个分控制器分别控制一个储能虚拟同步机模块（储能VSG模块），每个分控制器接受中央控制器的控制指令，采集相应储能虚拟同步机模块的运行信息和状态信息，控制控制相应储能虚拟同步机模块输出（通过调制PWM脉冲实现），通过开关（相应储能虚拟同步机模块的低压交流开关及直流开关）控制实现虚拟同步机控制（包括惯量模拟、有功-频率控制以及无功-电压控制）以及相应储能虚拟同步机模块的本模块保护（即VSG保护控制）。

由此可见，本实施例采用模块化的设计思路，在低压母线侧完成并联，通过升压变压器实现高压挂网。相比链式结构，本实施例的储能环节单元少，无悬浮绝缘要求，体积小、成本低，且直流侧不存在共模干扰，有利于储能系统的可靠稳定运行。同时变流并联控制简单、运行可靠，系统更容易模块化，增容方便，更易维护，从而大大降低了储能VSG的施工成本和难度，工程应用前景广阔。

实施例2：

实施例2的系统结构如图3所示，该实施例将实施例1中的单一的升压单元分为多个升压单元，并与各个储能虚拟同步机模块组合起来形成含升压单元的储能虚拟同步机模块。这样可以通过以若干个小容量的升压变压器来代替一个大容量的升压变压器，特别适合在大容量升压变压器存在制造困难时的应用，同时进一步提高系统的统一模块化的设计水平。

具体而言，如图3所示，实施例2的高压大容量储能虚拟同步机系统，包括控制保护系统和n个含升压单元的储能虚拟同步机模块。含升压单元的储能虚拟同步机模块由升压单元、变流并联单元和直流储能单元组成，升压单元包括升压变压器和高压交流开关，变流并联单元的直流侧与直流储能单元相连、交流测与升压变压器的一端相连，升压变压器的另一端经高压交流开关连接到高压母线。由于取消了低压母线，故变流并联单元中的交流EMI电路的另一端经低压交流开关连接到升压变压器。

由于将并联汇流点移到了高压母线，因而系统整体信息采集点从低压母线汇流排和单一的升压单元变改为高压母线汇流排和各个升压变压器。

除以上变化外，实施例2的其他部分基本同实施例1一致，包括控制系统的其他控制策略、系统的其他组成、连接形式等等。

虽然本发明已以较佳实施例公开如上，但实施例并不是用来限定本发明的。在不脱离本发明之精神和范围内，所做的任何等效变化或润饰，同样属于本发明之保护范围。因此本发明的保护范围应当以本申请的权利要求所界定的内容为标准。

Claims (10)

1.一种高压大容量储能虚拟同步机系统，包括升压单元、控制保护系统以及多个储能虚拟同步机模块，其特征在于：

所述升压单元包括升压变压器和高压交流开关，升压变压器的一端与低压母线相连，另一端经高压交流开关连接到高压母线；

所述储能虚拟同步机模块由变流并联单元和直流储能单元组成，变流并联单元包括变流器、交流输出电抗器、交流滤波电容、交流EMI电路、低压交流开关和直流EMI电路，直流储能单元经直流EMI电路与变流器的直流侧相连，交流输出电抗器与交流滤波电容构成交流输出滤波电路，变流器的交流侧经交流输出滤波电路与交流EMI电路的一端相连，交流EMI电路的另一端经低压交流开关连接到低压母线；

所述控制保护系统包括中央控制器和多个分控制器，中央控制器用于实现整个系统与各个储能虚拟同步机模块的投切和保护，通过低压母线的汇流排和升压变压器采集系统的整体运行状况信息以及接受各个分控制器上送的相应储能虚拟同步机模块的信息以实现系统监控，向外部上位机上送采集数据和接收外部上位机指令以实现人机交互，并根据实际工况和运行指令给各个分控制器下发控制指令以完成系统的整体协调控制和并联环流控制；

每个分控制器分别控制一个储能虚拟同步机模块，每个分控制器接受中央控制器的控制指令，采集相应储能虚拟同步机模块的运行信息和状态信息，控制相应储能虚拟同步机模块输出，实现虚拟同步机控制以及相应储能虚拟同步机模块的本模块保护。

2.根据权利要求1所述的高压大容量储能虚拟同步机系统，其特征在于：所述变流器为基于IGBT器件的三相桥式变流电路。

3.根据权利要求1或2所述的高压大容量储能虚拟同步机系统，其特征在于：所述储能虚拟同步机模块的直流储能单元通过直流开关或者通过非隔离的DC/DC电路或者通过带隔离的DC/DC电路与直流EMI电路相连。

4.根据权利要求3所述的高压大容量储能虚拟同步机系统，其特征在于：所述非隔离的DC/DC电路为基于IGBT器件的BOOST升压电路。

5.根据权利要求3所述的高压大容量储能虚拟同步机系统，其特征在于：所述带隔离的DC/DC电路为带隔离变压器的双边H桥电路。

6.一种新型高压大容量储能虚拟同步机系统，包括控制保护系统和多个含升压单元的储能虚拟同步机模块，其特征在于：

所述含升压单元的储能虚拟同步机模块由升压单元、变流并联单元和直流储能单元组成，升压单元包括升压变压器和高压交流开关，变流并联单元的直流侧与直流储能单元相连、交流测与升压变压器的一端相连，升压变压器的另一端经高压交流开关连接到高压母线；

所述控制保护系统包括中央控制器和多个分控制器，中央控制器用于实现整个系统与各个含升压单元的储能虚拟同步机模块的投切和保护，通过高压母线的汇流排和各个含升压单元的储能虚拟同步机模块的升压变压器采集系统的整体运行状况信息以及接受各个分控制器上送的相应含升压单元的储能虚拟同步机模块的信息以实现系统监控，向外部上位机上送采集数据和接收外部上位机指令以实现人机交互，并根据实际工况和运行指令给各个分控制器下发控制指令以完成系统的整体协调控制和并联环流控制；

每个分控制器分别控制一个含升压单元的储能虚拟同步机模块，每个分控制器接受中央控制器的控制指令，采集相应含升压单元的储能虚拟同步机模块的运行信息和状态信息，控制相应含升压单元的储能虚拟同步机模块的输出，实现虚拟同步机控制以及相应含升压单元的储能虚拟同步机模块的本模块保护。

7.根据权利要求6所述的新型高压大容量储能虚拟同步机系统，其特征在于：所述变流并联单元包括变流器、交流输出电抗器、交流滤波电容、交流EMI电路、低压交流开关和直流EMI电路，直流储能单元经直流EMI电路与变流器的直流侧相连，交流输出电抗器与交流滤波电容构成交流输出滤波电路，变流器的交流侧经交流输出滤波电路与交流EMI电路的一端相连，交流EMI电路的另一端经低压交流开关连接到升压变压器。

8.根据权利要求7所述的新型高压大容量储能虚拟同步机系统，其特征在于：所述含升压单元的储能虚拟同步机模块的直流储能单元通过直流开关或者通过非隔离的DC/DC电路或者通过带隔离的DC/DC电路与直流EMI电路相连。

9.根据权利要求8所述的新型高压大容量储能虚拟同步机系统，其特征在于：所述非隔离的DC/DC电路为基于IGBT器件的BOOST升压电路。

10.根据权利要求8所述的新型高压大容量储能虚拟同步机系统，其特征在于：所述带隔离的DC/DC电路为带隔离变压器的双边H桥电路。