一種高壓大容量儲能虛擬同步機系統的制作方法
【專利摘要】本發明公開了一種高壓大容量儲能虛擬同步機系統，屬于電力電子技術領域。本發明基于虛擬同步發電機（VSG）原理，通過變流并聯單元在低壓母線匯流，通過升壓變壓器實現高壓掛網，避免了高壓電池懸浮難題；各個模塊統一控制、協調運行。本發明相對鏈式結構，占地小，成本低，增容方便，更易于產業化。同時本發明還公開了另一種含多升壓變壓器的高壓大容量儲能虛擬同步機系統，該系統與本發明公開的上述系統相比，將并聯匯流點移到了高壓母線，適合在大容量升壓變存在制造困難時使用，同樣具有較大的應用推廣前景。
【專利說明】
一種高壓大容量儲能虛擬同步機系統
技術領域
[0001]本發明屬于電力電子技術領域，主要涉及一種高壓大容量儲能虛擬同步機系統。
【背景技術】
[0002]電力作為清潔高效的能源形勢，對社會、經濟的發展起著至關重要的作用。為了應對能源和環境的壓力，風能、太陽能等可再生分布式新能源受到越來越多的關注。分布式發電在改善電網運行經濟性、優化電力系統運行方式及構建環境友好型電力系統等方面均有重要意義。
[0003]分布式電源一般通過并網逆變器接入電網，其具有控制靈活、響應快速等優點，但也存在缺少慣量和阻尼等不足。隨著分布式電源滲透率的不斷增加，傳統同步發電機的裝機比例逐漸降低，電力系統中的旋轉備用容量及轉動慣量逐步減少;再者，并網逆變器控制策略各異，電源輸出功率存在波動和不確定性，很難實現自主協調運行，這些對電網的安全穩定帶來了嚴峻的挑戰。
[0004]集成了并網逆變器技術，可模擬傳統同步發電機的外特性的虛擬同步發電機(Virtual Synchronous Generator, VSG)技術應運而生。儲能虛擬同步機(VSG)是虛擬同步機中的一類，直流側僅帶儲能系統(不含可再生能源)。該系統的特點是，一方面可以通過模擬同步發電機的本體模型、有功調頻和無功調壓等特性，使并網逆變器可與傳統同步發電機的運行機制相比擬，從而改善所在電網的穩定性，另一方面利用儲能系統，儲能VSG還可以吸納電網中多余的可再生并網能源、實現削峰填谷等功能。
[0005]目前對儲能虛擬同步機的研究大多集中在低壓、小容量領域，高壓、大容量領域的研究拓撲主要基于H橋鏈式和MMC鏈式結構。鏈式結構將儲能VSG系統劃分為多個鏈節單元，接線復雜，占地大、推高了電池成本，且各個鏈節儲能單元存在懸浮隔離問題，絕緣成本高。此外，鏈式結構的鏈節不能無限堆積，目前成熟的直掛電壓等級為10kV，在更高的電壓等級上大容量的升壓變壓仍然無法省略。因而鏈式結構的高壓大容量儲能VSG存在占地大、成本高等問題，實際建設難度大。
【發明內容】
[0006]本發明目的是:針對現有技術中高壓大容量鏈式結構儲能VSG存在的缺陷，提出新式的高壓大容量儲能虛擬同步機系統。
[0007]具體地說，本發明所采取的技術方案是:一種高壓大容量儲能虛擬同步機系統，包括升壓單元、控制保護系統以及多個儲能虛擬同步機模塊，所述升壓單元包括升壓變壓器和高壓交流開關，升壓變壓器的一端與低壓母線相連，另一端經高壓交流開關連接到高壓母線;所述儲能虛擬同步機模塊由變流并聯單元和直流儲能單元組成，變流并聯單元包括變流器、交流輸出電抗器、交流濾波電容、交流EMI電路、低壓交流開關和直流EMI電路，直流儲能單元經直流EMI電路與變流器的直流側相連，交流輸出電抗器與交流濾波電容構成交流輸出濾波電路，變流器的交流側經交流輸出濾波電路與交流EMI電路的一端相連，交流EMI電路的另一端經低壓交流開關連接到低壓母線;所述控制保護系統包括中央控制器和多個分控制器，中央控制器用于實現整個系統與各個儲能虛擬同步機模塊的投切和保護，通過低壓母線的匯流排和升壓變壓器采集系統的整體運行狀況信息以及接受各個分控制器上送的相應儲能虛擬同步機模塊的信息以實現系統監控，向外部上位機上送采集數據和接收外部上位機指令以實現人機交互，并根據實際工況和運行指令給各個分控制器下發控制指令以完成系統的整體協調控制和并聯環流控制;每個分控制器分別控制一個儲能虛擬同步機模塊，每個分控制器接受中央控制器的控制指令，采集相應儲能虛擬同步機模塊的運行信息和狀態信息，控制相應儲能虛擬同步機模塊輸出，實現虛擬同步機控制以及相應儲能虛擬同步機模塊的本模塊保護。
[0008]上述技術方案由于通過變流并聯單元在低壓母線匯流，再通過升壓變壓器實現高壓掛網，可以避免了高壓電池懸浮難題，各個模塊可以統一控制、協調運行。
[0009]上述技術方案中變流器可以為基于IGBT器件的三相橋式變流電路，從而實現功率的四象限運行。
[0010]上述技術方案中儲能虛擬同步機模塊的直流儲能單元與直流EMI電路相連有多種連接方式，如可以通過直流開關與直流EMI電路相連，或者通過非隔離的DC/DC電路與直流EMI電路相連，或者通過帶隔離的DC/DC電路與直流EMI電路相連，這三種方式分別適用于直流儲能單元的電壓能滿足變流器直流支撐電壓使其能在各工況下完成四象限運行的情形、直流儲能單元的電壓達不到變流器直流支撐電壓的情形以及對儲能環節的隔離有較高要求的情形。
[0011]上述的非隔離的DC/DC電路可以為基于IGBT器件的BOOST升壓電路，該電路用帶反并聯二極管的IGBT替代了傳統BOOST電路的二極管，既能保證功率的雙向流動，又能起到直流開關的作用。
[0012]上述的帶隔離的DC/DC電路可以為帶隔離變壓器的雙邊H橋電路，這種方式在完成電氣隔離的同時具備直流電壓調整功能。
[0013]本發明同時還公開了另一種高壓大容量儲能虛擬同步機系統，其技術方案是:包括控制保護系統和多個含升壓單元的儲能虛擬同步機模塊，所述含升壓單元的儲能虛擬同步機模塊由升壓單元、變流并聯單元和直流儲能單元組成，升壓單元包括升壓變壓器和高壓交流開關，變流并聯單元的直流側與直流儲能單元相連、交流測與升壓變壓器的一端相連，升壓變壓器的另一端經高壓交流開關連接到高壓母線;所述控制保護系統包括中央控制器和多個分控制器，中央控制器用于實現整個系統與各個含升壓單元的儲能虛擬同步機模塊的投切和保護，通過高壓母線的匯流排和各個含升壓單元的儲能虛擬同步機模塊的升壓變壓器采集系統的整體運行狀況信息以及接受各個分控制器上送的相應含升壓單元的儲能虛擬同步機模塊的信息以實現系統監控，向外部上位機上送采集數據和接收外部上位機指令以實現人機交互，并根據實際工況和運行指令給各個分控制器下發控制指令以完成系統的整體協調控制和并聯環流控制;每個分控制器分別控制一個含升壓單元的儲能虛擬同步機模塊，每個分控制器接受中央控制器的控制指令，采集相應含升壓單元的儲能虛擬同步機模塊的運行信息和狀態信息，控制相應含升壓單元的儲能虛擬同步機模塊的輸出，實現虛擬同步機控制以及相應含升壓單元的儲能虛擬同步機模塊的本模塊保護。
[0014]從上述技術方案可知，其與本發明之前公開的高壓大容量儲能虛擬同步機系統相比，主要就是將單一的升壓單元分為多個升壓單元，并與各個儲能虛擬同步機模塊組合起來形成含升壓單元的儲能虛擬同步機模塊。這樣可以通過以若干個小容量的升壓變壓器來代替一個大容量的升壓變壓器，特別適合在大容量升壓變壓器存在制造困難時的應用，同時進一步提高系統的統一模塊化的設計水平。
[0015]與本發明之前公開的高壓大容量儲能虛擬同步機系統類似，上述技術方案中變流并聯單元的形式，也可以為包括變流器、交流輸出電抗器、交流濾波電容、交流EMI電路、低壓交流開關和直流EMI電路，直流儲能單元經直流EMI電路與變流器的直流側相連，交流輸出電抗器與交流濾波電容構成交流輸出濾波電路，變流器的交流側經交流輸出濾波電路與交流EMI電路的一端相連，交流EMI電路的另一端經低壓交流開關連接到升壓變壓器。
[0016]與本發明之前公開的高壓大容量儲能虛擬同步機系統類似，上述技術方案中含升壓單元的儲能虛擬同步機模塊的直流儲能單元與直流EMI電路相連也有多種連接方式，如通過直流開關或者通過非隔離的DC/DC電路或者通過帶隔離的DC/DC電路與直流EMI電路相連，所述非隔離的DC/DC電路可以為基于IGBT器件的BOOST升壓電路，所述帶隔離的DC/DC電路可以為帶隔離變壓器的雙邊H橋電路。
[0017]本發明的有益效果如下:本發明的兩種高壓大容量儲能虛擬同步機系統，都采用模塊化的設計思路，分別在低壓母線或高壓母線側完成并聯，通過升壓變壓器實現高壓掛網。相比鏈式結構，本發明的儲能環節單元少，無懸浮絕緣要求，體積小、成本低，且直流側不存在共模干擾，有利于儲能系統的可靠穩定運行。同時變流并聯控制簡單、運行可靠，系統更容易模塊化，增容方便，更易維護，從而大大降低了儲能VSG的施工成本和難度，工程應用前景廣闊。
【附圖說明】
[0018]圖1為本發明實施例1的結構圖。
[0019]圖2為本發明實施例1的控制系統框圖。
[0020]圖3為本發明實施例2的結構圖。
[0021]圖4為本發明直流儲能單元的連接方式圖。
【具體實施方式】
[0022]下面結合實施例并參照附圖對本發明作進一步詳細描述。
[0023]實施例1:
本發明的實施例1為一種高壓大容量儲能虛擬同步機系統，主要由升壓單元、控制保護系統以及η個儲能虛擬同步機模塊(即儲能VSG模塊)組成，其系統結構如圖1所示。
[0024]如圖1，升壓單元包括升壓變壓器(圖1中為MW級)和高壓交流開關，升壓變壓器用于完成升壓功能，其一端與低壓母線相連，另一端經高壓交流開關連接到高壓母線，可為三相雙繞組結構。高壓交流開關用于控制整系統的投入與切出。
[0025]如圖1，儲能虛擬同步機模塊由變流并聯單元(圖1中為MW級)和直流儲能單元(SP圖1中的電池儲能柜)組成。變流并聯單元包括變流器、交流輸出電抗器、交流濾波電容、交流EMI電路、低壓交流開關和直流EMI電路，直流儲能單元(電池儲能柜)經直流EMI電路與變流器的直流側相連，交流輸出電抗器與交流濾波電容構成交流輸出濾波電路，變流器的交流側經交流輸出濾波電路與交流EMI電路的一端相連，交流EMI電路的另一端經低壓交流開關連接到低壓母線。
[0026]本實施例的變流器為基于IGBT器件的三相橋式變流電路，可實現功率的四象限運行。交流輸出電抗器輔助實現變流器的低壓母線匯流和功率輸出，交流濾波電容采用三相Λ結構，配合交流輸出電抗器完成交流輸出濾波。交流EMI電路用于去除交流輸出的工模及差模干擾。低壓交流開關控制單個儲能VSG模塊的投入與切出。直流EMI電路用于消除直流母線的波動和干擾，保證儲能系統的安全可靠工作。
[0027]上述部分的工作原理是:升壓變壓器實現整個系統在高壓母線的掛網，變流并聯單元在直流儲能單元的支持下，11個模塊協調運行，模擬同步發電機的外特性，并根據電網實際運行工況，完成調壓調頻、削峰填谷等功能。直流儲能單元采用蓄電池，在變流器的支配下對電網進行有功支援和有功存儲。
[0028]如圖4所示，在實際實施過程中，儲能虛擬同步機模塊的直流儲能單元和變流器直流側有多種連接方式。
[0029]在直流儲能單元的儲能電池串聯電壓能滿足變流器直流支撐電壓使其能在各工況下完成四象限運行的前提下，可考慮通過直流開關直連方式，即儲能虛擬同步機模塊的直流儲能單元通過直流開關與直流EMI電路相連，具體見圖1及圖4( I)。這種方式結構簡單，控制便捷，成本較低。
[0030]在直流儲能單元的儲能電池串聯電壓達不到變流器直流側支撐電壓時，要考慮通過DC/DC連接實現直流電壓的調整，即儲能虛擬同步機模塊的直流儲能單元通過非隔離的DC/DC電路與直流EMI電路相連，最簡單的就是基于IGBT器件的BOOST升壓電路，具體見圖4
(2)。該電路用帶反并聯二極管的IGBT替代了傳統BOOST電路的二極管，即能保證功率的雙向流動，又能起到直流開關的作用，其成本也較低，只是結構和控制比上面的直流開關直連方式稍顯復雜而已。
[0031]至于在對儲能環節的隔離有較高要求的應用場合，就必須采用帶隔離的DC/DC連接，即儲能虛擬同步機模塊的直流儲能單元通過帶隔離的的DC/DC電路與直流EMI電路相連，具體可采用帶隔離變壓器的雙邊H橋結構，見圖4(3)。這種方式在完成電氣隔離的同時具備直流電壓調整功能，但結構與控制復雜，其中的大容量高頻變制作難度較大，成本較高，僅適合對隔離要求特別高的場合。
[0032]系統的控制保護系統構架如圖2所示，為兩層控制架構，包括頂層的中央控制器和第二層的多個分控制器。
[0033]中央控制器為系統的控制中樞，一方面通過低壓母線的匯流排和升壓變壓器采集系統的整體運行狀況信息，并接受各個分控制器上送的相應儲能虛擬同步機模塊的信息，實現對系統的監控，另一方面向外部上位機上送采集數據和接收外部上位機指令以實現人機交互。同時中央控制器還根據實際工況和運行指令給各個分控制器下發控制指令，完成系統的整體協調控制和并聯環流控制，并通過控制系統的交流開關(含高壓交流開關和各低壓交流開關)實現整個系統與各個儲能虛擬同步機模塊的投切和保護(即實現系統的全局保護控制)。
[0034]每個分控制器分別控制一個儲能虛擬同步機模塊(儲能VSG模塊)，每個分控制器接受中央控制器的控制指令，采集相應儲能虛擬同步機模塊的運行信息和狀態信息，控制控制相應儲能虛擬同步機模塊輸出(通過調制PffM脈沖實現)，通過開關(相應儲能虛擬同步機模塊的低壓交流開關及直流開關)控制實現虛擬同步機控制(包括慣量模擬、有功-頻率控制以及無功-電壓控制)以及相應儲能虛擬同步機模塊的本模塊保護(即VSG保護控制)。
[0035]由此可見，本實施例采用模塊化的設計思路，在低壓母線側完成并聯，通過升壓變壓器實現高壓掛網。相比鏈式結構，本實施例的儲能環節單元少，無懸浮絕緣要求，體積小、成本低，且直流側不存在共模干擾，有利于儲能系統的可靠穩定運行。同時變流并聯控制簡單、運行可靠，系統更容易模塊化，增容方便，更易維護，從而大大降低了儲能VSG的施工成本和難度，工程應用前景廣闊。
[0036]實施例2:
實施例2的系統結構如圖3所示，該實施例將實施例1中的單一的升壓單元分為多個升壓單元，并與各個儲能虛擬同步機模塊組合起來形成含升壓單元的儲能虛擬同步機模塊。這樣可以通過以若干個小容量的升壓變壓器來代替一個大容量的升壓變壓器，特別適合在大容量升壓變壓器存在制造困難時的應用，同時進一步提高系統的統一模塊化的設計水平。
[0037]具體而言，如圖3所示，實施例2的高壓大容量儲能虛擬同步機系統，包括控制保護系統和η個含升壓單元的儲能虛擬同步機模塊。含升壓單元的儲能虛擬同步機模塊由升壓單元、變流并聯單元和直流儲能單元組成，升壓單元包括升壓變壓器和高壓交流開關，變流并聯單元的直流側與直流儲能單元相連、交流測與升壓變壓器的一端相連，升壓變壓器的另一端經高壓交流開關連接到高壓母線。由于取消了低壓母線，故變流并聯單元中的交流EMI電路的另一端經低壓交流開關連接到升壓變壓器。
[0038]由于將并聯匯流點移到了高壓母線，因而系統整體信息采集點從低壓母線匯流排和單一的升壓單元變改為高壓母線匯流排和各個升壓變壓器。
[0039]除以上變化外，實施例2的其他部分基本同實施例1一致，包括控制系統的其他控制策略、系統的其他組成、連接形式等等。
[0040]雖然本發明已以較佳實施例公開如上，但實施例并不是用來限定本發明的。在不脫離本發明之精神和范圍內，所做的任何等效變化或潤飾，同樣屬于本發明之保護范圍。因此本發明的保護范圍應當以本申請的權利要求所界定的內容為標準。
【主權項】
1.一種高壓大容量儲能虛擬同步機系統，包括升壓單元、控制保護系統以及多個儲能虛擬同步機模塊，其特征在于: 所述升壓單元包括升壓變壓器和高壓交流開關，升壓變壓器的一端與低壓母線相連，另一端經高壓交流開關連接到高壓母線； 所述儲能虛擬同步機模塊由變流并聯單元和直流儲能單元組成，變流并聯單元包括變流器、交流輸出電抗器、交流濾波電容、交流EMI電路、低壓交流開關和直流EMI電路，直流儲能單元經直流EMI電路與變流器的直流側相連，交流輸出電抗器與交流濾波電容構成交流輸出濾波電路，變流器的交流側經交流輸出濾波電路與交流EMI電路的一端相連，交流EMI電路的另一端經低壓交流開關連接到低壓母線； 所述控制保護系統包括中央控制器和多個分控制器，中央控制器用于實現整個系統與各個儲能虛擬同步機模塊的投切和保護，通過低壓母線的匯流排和升壓變壓器采集系統的整體運行狀況信息以及接受各個分控制器上送的相應儲能虛擬同步機模塊的信息以實現系統監控，向外部上位機上送采集數據和接收外部上位機指令以實現人機交互，并根據實際工況和運行指令給各個分控制器下發控制指令以完成系統的整體協調控制和并聯環流控制； 每個分控制器分別控制一個儲能虛擬同步機模塊，每個分控制器接受中央控制器的控制指令，采集相應儲能虛擬同步機模塊的運行信息和狀態信息，控制相應儲能虛擬同步機模塊輸出，實現虛擬同步機控制以及相應儲能虛擬同步機模塊的本模塊保護。2.根據權利要求1所述的高壓大容量儲能虛擬同步機系統，其特征在于:所述變流器為基于IGBT器件的三相橋式變流電路。3.根據權利要求1或2所述的高壓大容量儲能虛擬同步機系統，其特征在于:所述儲能虛擬同步機模塊的直流儲能單元通過直流開關或者通過非隔離的DC/DC電路或者通過帶隔離的DC/DC電路與直流EMI電路相連。4.根據權利要求3所述的高壓大容量儲能虛擬同步機系統，其特征在于:所述非隔離的DC/DC電路為基于IGBT器件的BOOST升壓電路。5.根據權利要求3所述的高壓大容量儲能虛擬同步機系統，其特征在于:所述帶隔離的DC/DC電路為帶隔離變壓器的雙邊H橋電路。6.—種新型高壓大容量儲能虛擬同步機系統，包括控制保護系統和多個含升壓單元的儲能虛擬同步機模塊，其特征在于: 所述含升壓單元的儲能虛擬同步機模塊由升壓單元、變流并聯單元和直流儲能單元組成，升壓單元包括升壓變壓器和高壓交流開關，變流并聯單元的直流側與直流儲能單元相連、交流測與升壓變壓器的一端相連，升壓變壓器的另一端經高壓交流開關連接到高壓母線； 所述控制保護系統包括中央控制器和多個分控制器，中央控制器用于實現整個系統與各個含升壓單元的儲能虛擬同步機模塊的投切和保護，通過高壓母線的匯流排和各個含升壓單元的儲能虛擬同步機模塊的升壓變壓器采集系統的整體運行狀況信息以及接受各個分控制器上送的相應含升壓單元的儲能虛擬同步機模塊的信息以實現系統監控，向外部上位機上送采集數據和接收外部上位機指令以實現人機交互，并根據實際工況和運行指令給各個分控制器下發控制指令以完成系統的整體協調控制和并聯環流控制； 每個分控制器分別控制一個含升壓單元的儲能虛擬同步機模塊，每個分控制器接受中央控制器的控制指令，采集相應含升壓單元的儲能虛擬同步機模塊的運行信息和狀態信息，控制相應含升壓單元的儲能虛擬同步機模塊的輸出，實現虛擬同步機控制以及相應含升壓單元的儲能虛擬同步機模塊的本模塊保護。7.根據權利要求6所述的新型高壓大容量儲能虛擬同步機系統，其特征在于:所述變流并聯單元包括變流器、交流輸出電抗器、交流濾波電容、交流EMI電路、低壓交流開關和直流EMI電路，直流儲能單元經直流EMI電路與變流器的直流側相連，交流輸出電抗器與交流濾波電容構成交流輸出濾波電路，變流器的交流側經交流輸出濾波電路與交流EMI電路的一端相連，交流EMI電路的另一端經低壓交流開關連接到升壓變壓器。8.根據權利要求7所述的新型高壓大容量儲能虛擬同步機系統，其特征在于:所述含升壓單元的儲能虛擬同步機模塊的直流儲能單元通過直流開關或者通過非隔離的DC/DC電路或者通過帶隔離的DC/DC電路與直流EMI電路相連。9.根據權利要求8所述的新型高壓大容量儲能虛擬同步機系統，其特征在于:所述非隔離的DC/DC電路為基于IGBT器件的BOOST升壓電路。10.根據權利要求8所述的新型高壓大容量儲能虛擬同步機系統，其特征在于:所述帶隔離的DC/DC電路為帶隔離變壓器的雙邊H橋電路。
【文檔編號】H02J3/32GK105932720SQ201610171203
【公開日】2016年9月7日
【申請日】2016年3月23日
【發明人】蔣應偉, 侯凱, 何安然, 張青杰, 劉建平, 隗華榮, 馮世寧
【申請人】國家電網公司, 國電南瑞科技股份有限公司, 南京南瑞集團公司