CN107645178A - 一种基于电力电子变压器的虚拟同步机控制系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于电力电子变压器的虚拟同步机控制系统及方法，该系统包括高压侧MMC、隔离型DC/DC变换器及电池组，MMC将高压侧三相交流电压变成高压直流电压；隔离型DC/DC变换器的主要功能是将MMC变换得到的高压直流电压变换成低压直流电压。本发明的虚拟同步机控制系统能够满足大容量虚拟同步机(5MW以上)的要求，同时开关频率低，损耗小；无隔离变压器，效率高；DC/AC侧采用MMC多电平结构，谐波小；直流输出DC1000V以下，满足锂电池电压范围要求，且成本低、控制系统简单易实现。且利用本发明的虚拟同步机控制系统能够实现一次调频、惯性阻尼及无功调压功能，其控制方式灵活。

Description

一种基于电力电子变压器的虚拟同步机控制系统及方法

技术领域

本发明属于虚拟同步机技术领域，特别涉及一种基于电力电子变压器的虚拟 同步机控制系统及方法。

背景技术

我国风电、光伏装机规模已位居世界第一，并保持高速发展。与火电等同步 发电机相比，风电、光伏发电不具备阻尼功率振荡、惯性调频、自主调压的能 力，大规模接入电网后，将影响电网的电压/频率稳定性。

虚拟同步机通过实时跟踪系统频率、电压变化，模拟同步发电机一次调频和 励磁控制机制，自动调节有功和无功输出，自适应参与系统频率、电压调节，提 升区域电网的安全稳定运行水平。采用虚拟同步机技术，可使间歇式新能源发电 具备与常规火电接近的外特性。

现新能源和微电网调频，一是靠光伏和风电等变流器具备一定的调频功能； 二是靠几十千瓦小容量的虚拟同步机，这主要是因为储能电池并联一致性要求， 不能容量太大，需要大容量集中式虚拟同步机时，靠多机并联，但由于并联控制 的为分散控制，一般通过通讯等，其输出一致性和响应时间等达不到系统要求。 大容量电站式虚拟同步机概念被提出，用于实现整个光伏电站或者风电场的虚拟 同步机特性。大容量集中式虚拟同步机一般要求在MW级以上，原边交流输入 为AC35kV或者10kV电网，副边输出直流电压，连接电池系统。基于目前电池 制造水平，电池系统最高电压一般为DC1000V以下。

研究者提出了多种电站式虚拟同步机电路拓扑,可以分为两种，一种是采用 隔离变压器，将AC35kV电压降至690V以下，再接单级或者两级低压逆变器， 典型拓扑如图1所示。该拓扑优点为1)储能电池可以采用成熟的1000V及以下 电压等级的电池；2)控制系统简单，技术成熟，易实现。该方案的明显缺点为 带隔离变流器，效率低。

第二种是采用链式直挂结构，典型拓扑如图2所示。该方案实现原理为在原 传统SVG的每个子模块有一个电池组，根据电网电压Vs的不同，可以采用6kV, 10kV和35kV等H桥链式方案。该方案优点为1)单极拓扑，开关频率低，系 统效率高。2)每组电池电压可以选择DC1000V及以下电压等级的电池，同时 每个子模块储能电池单元的容量较小，电池并联的数量也较小，对储能电池组的 一致性要求较低。该方案缺点为1)每个子模块都配备一组储能电池单元，以10kV 为例，需要配置60组储能电池，也就需要60个电池管理系统BMS，不仅增加 了系统成本，且BMS数据量也很大，大大增加了数据处理的难度；2)在高压 环境中，因系统存在共模干扰，对BMS的耐共模干扰的要求也比较高；3)子 模块含储能电池后，其子模块均压控制策略就变得更复杂，在进行有功输出调频 过程中，如果各子模块储能电池组的SOC或放电速率不同，都会导致每个子模 块的电压相差较大，这样输出电流的THD控制就变得比较复杂，容易造成波形 畸变。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于电力电子变压器的虚拟同步机控制系统及 方法，用于解决现有技术的变电站虚拟同步发电机控制系统复杂、效率低、成本 高的问题。

为实现上述目的，本发明的技术方案是：

一种基于电力电子变压器的虚拟同步机控制系统，包括MMC换流器、高频 隔离变换器和电池组，所述MMC换流器包括三相桥臂，每相桥臂包括n个级联 的MMC子模块，所述MMC换流器的交流侧用于连接电网，所述MMC换流器 的直流侧与所述高频隔离变换器连接，所述高频隔离变换器与所述电池组连接， 用于实现一次调频、惯性阻尼和无功调压。

进一步地，所述电池组包括钛酸锂电池、磷酸锂电池或三元电池。

进一步地，所述高频隔离变换器包括DC/DC子模块，各DC/DC子模块的 高压侧依次串联，各DC/DC子模块的低压侧“+”母线连接到一起，“-”母线连 接到一起，以形成低压直流母线。

本发明还提供了一种基于电力电子变压器的虚拟同步发电机控制方法，当采 用一次调频控制方法时，将并网电压的频率指令值与反馈的实际并网电压频率值 作差，与有功频率系数相乘得到有功功率偏差反馈指令值，将所述有功功率偏差 反馈指令值与设定的有功功率指令值相加得到虚拟同步发电机的机械功率指令 值，完成对电网频率的调节。

本发明还提供了一种基于电力电子变压器的虚拟同步发电机控制方法，当采 用惯性阻尼控制方法时，虚拟同步发电机具有惯量特性，所述虚拟同步发电机的 有功功率表示为：

其中，ΔP为虚拟同步发电机的有功功率，T_j为有功功率响应时间，f_N为虚 拟同步发电机并网点频率，P_N为虚拟同步发电机额定有功功率。

本发明还提供了一种基于电力电子变压器的虚拟同步发电机控制方法，当采 用无功调压控制方法时，将电压指令值与电压反馈值作差，与电压调节系数相乘 得到无功功率偏差反馈指令值，将无功功率偏差反馈指令值与无功功率设定值相 加得到无功功率指令值，将无功功率指令值与无功功率反馈值作差输出无功功率 进行调节。

进一步地，所述无功功率反馈值为逆变器机端输出的瞬时无功功率值，表示 为：

其中，Q_e为逆变器机端输出的瞬时无功功率值，u_a、u_b、u_c分别为对应的 三相电网电压，i_a、i_b、i_c分别为对应的三相电流。

本发明的有益效果是：

本发明提供了一种基于电力电子变压器的虚拟同步机控制系统，该系统包括 高压侧MMC、隔离型DC/DC变换器及电池组，MMC将高压侧三相交流电压变 成高压直流电压；隔离型DC/DC变换器的主要功能是将MMC变换得到的高压 直流电压变换成低压直流电压。本发明的虚拟同步机控制系统能够满足大容量虚 拟同步机(5MW以上)的要求，同时开关频率低，损耗小；无隔离变压器，效 率高；DC/AC侧采用MMC多电平结构，谐波小；直流输出DC1000V以下，满 足锂电池电压范围要求，且成本低、控制系统简单易实现，且利用本发明的虚拟 同步机控制系统能够实现一次调频、惯性阻尼及无功调压功能，其控制方式灵活。

附图说明

图1为现有技术的带隔离变压器的DC/DC与DC/AC虚拟同步机电路结构 示意图；

图2为链式虚拟同步机拓扑电路结构示意图；

图3为本发明的基于电力电子变压器拓扑的虚拟同步机电路结构示意图；

图4为DC/DC子模块结构示意图；

图5为MMC子模块原理示意图；

图6为一次调频控制框图；

图7为一次调频曲线图；

图8为无功调压控制框图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的说明：

本发明的一种基于电力电子变压器的虚拟同步机控制系统的实施例：

一种基于电力电子变压器拓扑的电站式虚拟同步发电机控制系统，如图3 所示，该控制系统包括MMC换流器、ISOP(input-seried-output-parallel)高频 隔离变换器及电池组，MMC的交流侧与AC35KV或AC10KV电网连接，MMC 换流器包括三相桥臂，每相桥臂包括n个级联的MMC子模块和桥臂电抗器，各 MMC子模块包括2个IGBT、一个直流电容和一个放电电阻，MMC换流器的直 流侧与高频隔离变换器连接，高频隔离变换器包括若干个DC/DC子模块，各子 模块的高压侧依次串联，子模块低压侧“+”母线连接到一起，“—”母线连接到 一起，形成低压侧直流输出端口，使高频隔离变换器与电池组连接，用于实现一 次调频、惯性阻尼和无功调压。

1)惯性阻尼控制方法：

当系统频率偏差大于±0.03Hz时，虚拟同步发电机应具有惯量特性，响应于 快速频率变化，增加/降低其有功功率输出。

惯量响应时，虚拟同步发电机有功功率响应按照公式(1)进行，最大有功 功率为120％P_N，响应时间不大于500ms，有功功率误差不大于±2％P_N，T_J在合 理范围内：

其中，ΔP为虚拟同步发电机的有功功率，T_j为有功功率响应时间，f_N为虚拟同步发电机并网点频率，单位为Hz，P_N为虚拟同步发电机额定有功功率。

2)一次调频控制方法：

本实施例的虚拟同步机的调频方法，通过控制虚拟机械功率来实现对电网频 率的调节。如图6所示，将并网电压的频率指令值ω_ref与反馈的实际并网电压频 率值ω_grid作差，与有功频率系数k_f相乘得到有功功率偏差反馈指令值P₂，将有 功功率偏差反馈指令值P₁与设定的有功功率指令值P_set相加得到虚拟同步发电 机的机械功率指令值P_ref，P_ref与检查的有功功率P_e偏差，除以同步机转动惯量 J_s，得到有功功率指令，完成对电网频率的调节，一次调频的曲线图如图7所示。

J_s为同步机的转动惯量；θ为电角速度；ω为机械角速度，当极对数p为1 时，其等于电气角速度；s为微分算子。

此时，虚拟同步机的虚拟机械转矩为：

T_m＝P_ref/ω＝(P₂+P_set)/ω (2)

当系统频率偏差值大于±0.03Hz，虚拟同步发电机调节有功输出，参与电网 一次调频，具体如下：

a)当系统频率下降时，虚拟同步发电机根据一次调频曲线增加有功输出；

当有功功率达到120％P_N时，不再继续增加；

b)当系统频率上升时，虚拟同步发电机根据一次调频曲线减少有功输出；

当有功功率达到-120％P_N时，不再继续减小；

c)有功调频系数K_f应在20～100范围内，推荐为50，一次调频曲线按照图 7所示进行；

d)一次调频的启动时间不大于3s，响应时间不大于12s，调节时间不大于 30s，有功功率调节控制误差不超过±2％P_N。

3)无功调压控制方法

无功-电压控制主要根据VSG输出无功功率偏差调节，而功率偏差又受端电 压偏差的影响。如图8所示，将电压指令值U₀与电压反馈值U_grid作差，与电压 调节系数K_v相乘得到无功功率偏差反馈指令值Q₁，将无功功率偏差反馈指令值Q₁与无功功率设定值Q_set相加得到无功功率指令值Q_ref，将无功功率指令值Q_ref与无功功率反馈值Q_e作差乘以积分系数，再进行微分，得到电动势指令值，再 与虚拟同步机空载电动势相减，得到虚拟同步机输出激磁电动势，实现输出无功 功率的调节。其中，图8中的E_g为虚拟同步机空载电势，k_E为积分系数，s为 微分算子，E为虚拟同步机输出激磁电动势。

进一步地，所述无功功率反馈值为逆变器机端输出的瞬时无功功率值，表示 为：

其中，Q_e为逆变器机端输出的瞬时无功功率值，u_a、u_b、u_c分别为对应的 三相电网电压，i_a、i_b、i_c分别为对应的三相电流。

MMC换流器的作用是将高压侧三相交流电压变成高压直流电压，ISOP隔 离型DC/DC变换器将MMC变换得到的高压直流电压变换成低压直流电压， DC/DC变换器的低压侧连接低压电池组，电池组为DC1000V以下的普通锂电池 或钛酸锂电池、磷酸锂电池和三元材料电池；每组电池的容量可以根据集中式虚 拟同步发电机总容量计算，根据目前的电池技术特点，每组电池容量不得超过 500KW。

其中，DC/DC变换器采用以高频变压器为核心的双向LLC谐振变换电路， 采用软开关技术，如图4所示，变压器原副边增加串联LC谐振网络，与变压器 的励磁电感Lm组成LLC谐振网络，该谐振网络不仅可以提高谐振变换器的变 换效率，同时可以使变换器从空载到满载都能保持恒定的电压增益。

每个DC/DC子模块每个子模块包含高压侧H桥IGBT和电容、低压侧H桥 IGBT和电容、隔离变压器、高压侧串联LC谐振网络、低压侧串联LC谐振网 络。变压器原副边串联LC谐振网络，与变压器的励磁电感L_m组成LLC谐振网 络。双向LLC拓扑可以采用软开关技术，实现双向能量传输，其工作范围分为 3个部分，即f_s>f_r的ZVS区，f_s<f_r的ZCS区，以及f_r>f_s>f_w的混合区。其中ZVS 区能实现原边的ZVS，但是不能实现副边的ZCS；ZCS区可以实现原边和副边 的ZCS区，但是其增益很低；混合区，其能够实现副边的ZCS。其中，f_s：开关 频率；f_r为低压侧谐振频率；f_w为高压侧谐振频率。

本发明的由MMC换流器、ISOP(input-seried-output-parallel)高频隔离变 换器及电池组组成的虚拟同步机能够满足大容量虚拟同步机(5MW以上)的要 求，同时开关频率低，损耗小；满足35KV直挂要求，无隔离变压器，效率高； 采用MMC多电平结构，谐波小；采用高频变压器实现了高压侧与低压侧的隔离， 采用双向LLC谐振减小了功率器件的损耗，提高了功率密度，而且减小了体积； 采用双向LLC谐振变换器可同时实现原边的ZVS和副边ZCS，提高了效率； DC/DC变换器直流侧输出直流1000V以下，满足锂电池电压范围要求(商用锂 电池储能系统都在直流1000V以下)。

以上给出了具体的实施方式，但本发明不局限于以上所描述的实施方式。本 发明的基本思路在于上述基本方案，对本领域普通技术人员而言，根据本发明的 教导，设计出各种变形的模型、公式、参数并不需要花费创造性劳动。在不脱离 本发明的原理和精神的情况下对实施方式进行的变化、修改、替换和变型仍落入 本发明的保护范围内。

Claims (7)

1.一种基于电力电子变压器的虚拟同步机控制系统，其特征在于，包括MMC换流器、高频隔离变换器和电池组，所述MMC换流器包括三相桥臂，每相桥臂包括n个级联的MMC子模块，所述MMC换流器的交流侧用于连接电网，所述MMC换流器的直流侧与所述高频隔离变换器连接，所述高频隔离变换器与所述电池组连接，用于实现一次调频、惯性阻尼和无功调压。

2.根据权利要求1所述的基于电力电子变压器的虚拟同步机控制系统，其特征在于，所述电池组包括钛酸锂电池、磷酸锂电池或三元电池。

3.根据权利要求1所述的基于电力电子变压器的虚拟同步机控制系统，其特征在于，所述高频隔离变换器包括DC/DC子模块，各DC/DC子模块的高压侧依次串联，各DC/DC子模块的低压侧“+”母线连接到一起，“-”母线连接到一起，以形成低压直流母线。

4.一种基于电力电子变压器的虚拟同步发电机控制方法，其特征在于，当采用一次调频控制方法时，将并网电压的频率指令值与反馈的实际并网电压频率值作差，与有功频率系数相乘得到有功功率偏差反馈指令值，将所述有功功率偏差反馈指令值与设定的有功功率指令值相加得到虚拟同步发电机的机械功率指令值，完成对电网频率的调节。

5.一种基于电力电子变压器的虚拟同步发电机控制方法，其特征在于，当采用惯性阻尼控制方法时，虚拟同步发电机具有惯量特性，所述虚拟同步发电机的有功功率表示为：

<mrow> <mi>&amp;Delta;</mi> <mi>P</mi> <mo>=</mo> <mo>-</mo> <mfrac> <msub> <mi>T</mi> <mi>J</mi> </msub> <msub> <mi>f</mi> <mi>N</mi> </msub> </mfrac> <mfrac> <mrow> <mi>d</mi> <mi>f</mi> </mrow> <mrow> <mi>d</mi> <mi>t</mi> </mrow> </mfrac> <msub> <mi>P</mi> <mi>N</mi> </msub> </mrow>

其中，ΔP为虚拟同步发电机的有功功率，T_j为有功功率响应时间，f_N为虚拟同步发电机并网点频率，P_N为虚拟同步发电机额定有功功率。

6.一种基于电力电子变压器的虚拟同步发电机控制方法，其特征在于，当采用无功调压控制方法时，将电压指令值与电压反馈值作差，与电压调节系数相乘得到无功功率偏差反馈指令值，将无功功率偏差反馈指令值与无功功率设定值相加得到无功功率指令值，将无功功率指令值与无功功率反馈值作差输出无功功率进行调节。

7.根据权利要求6所述的基于电力电子变压器的虚拟同步发电机控制方法，其特征在于，所述无功功率反馈值为逆变器机端输出的瞬时无功功率值，表示为：

<mrow> <msub> <mi>Q</mi> <mi>e</mi> </msub> <mo>=</mo> <mfrac> <mrow> <mo>(</mo> <msub> <mi>u</mi> <mi>a</mi> </msub> <mo>-</mo> <msub> <mi>u</mi> <mi>b</mi> </msub> <mo>)</mo> <msub> <mi>i</mi> <mi>c</mi> </msub> <mo>+</mo> <mo>(</mo> <msub> <mi>u</mi> <mi>b</mi> </msub> <mo>-</mo> <msub> <mi>u</mi> <mi>c</mi> </msub> <mo>)</mo> <msub> <mi>i</mi> <mi>a</mi> </msub> <mo>+</mo> <mo>(</mo> <msub> <mi>u</mi> <mi>c</mi> </msub> <mo>-</mo> <msub> <mi>u</mi> <mi>a</mi> </msub> <mo>)</mo> <msub> <mi>i</mi> <mi>b</mi> </msub> </mrow> <msqrt> <mn>3</mn> </msqrt> </mfrac> </mrow>

其中，Q_e为逆变器机端输出的瞬时无功功率值，u_a、u_b、u_c分别为对应的三相电网电压，i_a、i_b、i_c分别为对应的三相电流。