一种小容量分散式虚拟同步机系统拓扑结构的制作方法

本实用新型属于电力电子技术领域，具体地说，是涉及一种小容量分散式虚拟同步机系统拓扑结构。

背景技术：

由于分布式电源具有高渗透率的特点，会对电网的稳定性、可靠性和继电保护等造成严重干扰，但分布式电源对环境保护、资源利用等具有很多好处，因此，开发分布式发电仍然非常有必要。

分布式电源发出电量之后需要输送到公用电网，当前分布式电源的并网方式主要采用的是经逆变器逆变接入交流电网，但此方式存在以下问题：第一：由于传统的基于电力电子器件控制的逆变器有极高的动态特性，而大电网中的同步发电机由于较大的机械惯性导致动态特性很小，因此，直接接入会降低频率稳定性；第二：分布式发电通常用最大功率追踪进行控制，这种控制策略不能对功率进行主动分配，且没有频率余量，这使得电网变得十分脆弱；第三：分布式发电的利用主要是采用大规模统一利用，对整个分布式电源进行集中式控制策略，如一个区域内无数个光伏阵列的串并联组合作为一个直流源，再进行环流、逆变、升压和并网操作，但这种控制方式并不适用于小容量的分布式电源，因为小容量分布式电源主要是用户私有型，如偏远地区，每家拥有的光伏发电机，或城市住宅房屋的光伏玻璃去进行光伏发电，这种分布式电源由于私有性，不利于进行集中逆变和并网操作；第四：由于这种小容量的分布式电源控制方式的不足，并网操作会造成整个电网系统电压冲击和频率失调，从而导致弃光弃风等现象严重，造成了能源的极大浪费。基于上述情况,需提供一种新型的虚拟同步机系统拓扑结构去解决上述问题。

技术实现要素：

针对现有技术中的上述不足，本实用新型提供的一种小容量分散式虚拟同步机系统拓扑结构，不仅有效地解决了小容量微电网并入大电网时的电压冲击、电压偏移以及频率不稳定的问题，还解决了在风能和光能充足的偏远地区的电力传输不便以及经常停电的问题，同时还保证了孤岛运行时小容量微电网系统电压和频率的稳定性。

为了达到以上目的，本实用新型采用的技术方案为：

本方案提供一种小容量分散式虚拟同步机系统拓扑结构，包括交流母线、与所述交流母线通过公用网络母线连接且位于所述交流母线一侧的微电网以及与所述微电网连接且位于所述交流母线另一侧的公用交流电网，其中，所述微电网包括通过公用网络母线与所述交流母线连接的储能单元以及连接在所述储能单元一侧的公用网络母线上的电源控制单元。

再进一步地，所述电源控制单元包括多个用户端分布式电源以及与所述多个用户端分布式电源一一对应连接的多个虚拟同步机子单元，其中，所述每个虚拟同步机子单元的输出端均连接在所述微电网上，且所述每个虚拟同步机子单元的输出端均设置有负载。

再进一步地，所述每个虚拟同步机子单元的结构均相同，其均包括反激式DC-DC换流器、与所述反激式DC-DC换流器连接的工频DC-AC逆变器、与所述工频DC-AC逆变器连接且位于虚拟同步机子单元的输出端的LCL滤波器以及设置于所述反激式DC-DC换流器两侧且与反激式DC-DC换流器并联的电容C1和电容C2，其中，

所述反激式DC-DC换流器上设置有MPPT控制器；

所述工频DC-AC逆变器上设置有有功/无功控制器以及频率控制器；

所述LCL滤波器还连接有双向电表，所述双向电表的另一侧连接负载，所述LCL滤波器与所述负载均连接在公用网络母线上。

再进一步地，所述反激式DC-DC换流器包括绝缘栅双极型晶体管Q1、二极管D1以及变压器T；

所述工频DC-AC逆变器包括绝缘栅双极型晶体管Q2、绝缘栅双极型晶体管Q3、绝缘栅双极型晶体管Q4、绝缘栅双极型晶体管Q5、绝缘栅双极型晶体管Q6、绝缘栅双极型晶体管Q7、二极管D2、二极管D3、二极管D4、二极管D5、二极管D6以及二极管D7；

所述LCL滤波器包括电感L12、电感L13、电感L14、电感L15、电感L16、电感L17、电容C3、电容C4、电容C5、电阻R1、电阻R2以及电阻R3；

其中，所述绝缘栅双极型晶体管Q1的集电极与二极管D1的负极以及变压器T的L1脚的一端连接，变压器T的L1脚的另一端连接电容C1的一端，绝缘栅双极型晶体管Q1的发射极连接二极管D1的正极以及电容C1的另一端，变压器T的L2脚的一端分别与电容C2的一端、绝缘栅双极型晶体管Q5的发射极、二极管D5的正极、绝缘栅双极型晶体管Q6的发射极、二极管D6的正极、绝缘栅双极型晶体管Q7的发射极以及二极管D7的正极连接，变压器T的L2脚的另一端分别与电容C2的另一端、绝缘栅双极型晶体管Q2的集电极、二极管D2的负极、绝缘栅双极型晶体管Q3的集电极、二极管D3的负极、绝缘栅双极型晶体管Q4的集电极以及二极管D4的负极连接，电感L12的一端分别与绝缘栅双极型晶体管Q2的发射极、绝缘栅双极型晶体管Q5的集电极、二极管D2的正极以及二极管D5的负极连接，电感L12的另一端分别与电感L13的一端、电容C3的一端以及电阻R2的一端连接，电感L14的一端分别与绝缘栅双极型晶体管Q3的发射极、绝缘栅双极型晶体管Q6的集电极、二极管D3的正极以及二极管D6的负极连接，电感L14的另一端分别与电感L15的一端、电容C4的一端以及电阻R1的一端连接，电阻R1的另一端与电容C3的另一端连接，电感L16的一端分别与绝缘栅双极型晶体管Q4的发射极、绝缘栅双极型晶体管Q7的集电极、二极管D4的正极以及二极管D7的负极连接，电感L16的另一端分别与电感L17的一端、电阻R3的一端以及电容C5的一端连接，电阻R3的另一端连接电容C4的另一端，电容C5的另一端连接电阻R2的另一端，电感L13的另一端、电感L15的另一端以及电感L17的另一端均与公用网络母线连接。

再进一步地，所述公用网络母线上设置有线路阻抗。

再进一步地，所述多个用户端分布式电源呈网络连接。

再进一步地，所述微电网与所述公用交流电网通过断路器连接。

本实用新型的有益效果：

(1)本实用新型通过虚拟同步机结构模拟大电网系统中的同步机，使之具有同步机的特性，不仅有效地解决了小容量微电网并入大电网时的电压冲击、电压偏移以及频率不稳定的问题，还能解决在风能和光能充足的偏远地区的电力传输不便和经常停电的问题，同时还保证了孤岛运行时小容量电网系统电压和频率的稳定性；

(2)本实用新型中微型逆变器的工频DC/AC逆变器上加入了有功/无功管理器和频率管理控制器，通过控制结构模仿同步发电机转子运动方程，建立虚拟同步机模型，从而不仅保证了小容量电网和大电网系统功率的双向流动，还保证了在并网时整个连接系统的电压和频率的稳定性，以及在孤岛运行时小容量电网系统的稳定；

(3)本实用新型中的虚拟同步机子单元中的直流换流器模块采用反激式电路结构，加上了MPPT控制去实现最大发电量，且反激式DC/DC换流器能起到隔离保护的作用，有效地减少器件数量，达到不仅成本较低，而且可靠性高的效果；

(4)本实用新型中由于小容量分布式电源具有高渗透性和私有性的特点，且分布式电源之间的连接呈现网状连接，因此通过在虚拟同步机的逆变模块增加分散式控制方式，有效地保证各用户间的负载共享和功率调度问题；

(5)本实用新型中在虚拟同步机接口上加入MPPT最大功率追踪控制，满足了最大发电量，有效地避免了小容量分布式电源存在的利用不足，造成的弃风、弃光等能源浪费现象，达到了节约能源的效果。

附图说明

图1为本实用新型中的整体网络结构示意图。

图2为本实用新型中的单个虚拟同步机结构示意图。

图3为本实用新型的电路结构示意图。

其中，1-交流母线，2-微电网，3-公用交流电网，4-储能单元，5-电源控制单元，6-用户端分布式电源，7-负载，8-虚拟同步机子单元，9-反激式DC/DC换流器，10-工频DC/AC逆变器，11-LCL滤波器，12-双向电表。

具体实施方式

下面对本实用新型的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本实用新型，但应该清楚，本实用新型不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本实用新型的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本实用新型构思的实用新型创造均在保护之列。

实施例

如图1-图2所示，本实用新型提供了一种小容量分散式虚拟同步机系统拓扑结构，包括交流母线1、与所述交流母线1通过公用网络母线连接且位于所述交流母线1一侧的微电网2以及与所述微电网2连接且位于所述交流母线1另一侧的公用交流电网3，其中，所述微电网2包括通过公用网络母线与所述交流母线1连接的储能单元4以及连接在所述储能单元4一侧的公用网络母线上的电源控制单元5，所述电源控制单元5包括多个用户端分布式电源6以及与所述多个用户端分布式电源6一一对应连接的多个虚拟同步机子单元8，其中，所述每个虚拟同步机子单元8的输出端均连接在所述微电网2上，且所述每个虚拟同步机子单元8的输出端均设置有负载7，所述每个虚拟同步机子单元8的结构均相同，其均包括反激式DC-DC换流器9与所述反激式DC-DC换流器9连接的工频DC-AC逆变器10、与所述工频DC-AC逆变器10连接且位于虚拟同步机子单元8的输出端的LCL滤波器11以及设置于所述反激式DC-DC换流器9两侧且与反激式DC-DC换流器9并联的电容C1和电容C2，其中，

所述反激式DC-DC换流器9上设置有MPPT控制器；

所述工频DC-AC逆变器10上设置有有功/无功控制器以及频率控制器；

所述LCL滤波器11还连接有双向电表12，所述双向电表12的另一侧连接负载7，所述LCL滤波器11与所述负载7均连接在公用网络母线上，所述公用网络母线上设置有线路阻抗，所述多个用户端分布式电源6呈网络连接，所述微电网2与所述公用交流电网3通过断路器连接。

如图3所示，所述反激式DC-DC换流器9包括绝缘栅双极型晶体管Q1、二极管D1以及变压器T；所述工频DC-AC逆变器10包括绝缘栅双极型晶体管Q2、绝缘栅双极型晶体管Q3、绝缘栅双极型晶体管Q4、绝缘栅双极型晶体管Q5、绝缘栅双极型晶体管Q6、绝缘栅双极型晶体管Q7、二极管D2、二极管D3、二极管D4、二极管D5、二极管D6以及二极管D7；所述LCL滤波器11包括电感L12、电感L13、电感L14、电感L15、电感L16、电感L17、电容C3、电容C4、电容C5、电阻R1、电阻R2以及电阻R3；其中，所述绝缘栅双极型晶体管Q1的集电极与二极管D1的负极以及变压器T的L1脚的一端连接，变压器T的L1脚的另一端连接电容C1的一端，绝缘栅双极型晶体管Q1的发射极连接二极管D1的正极以及电容C1的另一端，变压器T的L2脚的一端分别与电容C2的一端、绝缘栅双极型晶体管Q5的发射极、二极管D5的正极、绝缘栅双极型晶体管Q6的发射极、二极管D6的正极、绝缘栅双极型晶体管Q7的发射极以及二极管D7的正极连接，变压器T的L2脚的另一端分别与电容C2的另一端、绝缘栅双极型晶体管Q2的集电极、二极管D2的负极、绝缘栅双极型晶体管Q3的集电极、二极管D3的负极、绝缘栅双极型晶体管Q4的集电极以及二极管D4的负极连接，电感L12的一端分别与绝缘栅双极型晶体管Q2的发射极、绝缘栅双极型晶体管Q5的集电极、二极管D2的正极以及二极管D5的负极连接，电感L12的另一端分别与电感L13的一端、电容C3的一端以及电阻R2的一端连接，电感L14的一端分别与绝缘栅双极型晶体管Q3的发射极、绝缘栅双极型晶体管Q6的集电极、二极管D3的正极以及二极管D6的负极连接，电感L14的另一端分别与电感L15的一端、电容C4的一端以及电阻R1的一端连接，电阻R1的另一端与电容C3的另一端连接，电感L16的一端分别与绝缘栅双极型晶体管Q4的发射极、绝缘栅双极型晶体管Q7的集电极、二极管D4的正极以及二极管D7的负极连接，电感L16的另一端分别与电感L17的一端、电阻R3的一端以及电容C5的一端连接，电阻R3的另一端连接电容C4的另一端，电容C5的另一端连接电阻R2的另一端，电感L13的另一端、电感L15的另一端以及电感L17的另一端均与公用网络母线连接。

本实施例中，如图1所示：首先按照区域位置进行分区，如一个住宅小区，这个区域可作为一个微电网2系统。每个分区内有若干用户，各用户有安装在屋顶等地的用户端分布式电源6和各自的负载7，各个用户端分布式电源6彼此间呈现网络连接，不一定是径向连接，网络上有线路阻抗，用户端分布式电源6通过微型逆变器连接在公用网络母线上，微型逆变器当为一种虚拟同步机控制子单元8，整个微电网2通过断路器与公用电网母线相连，断路器可以保证整个网络系统处于并网状态还是孤岛状态。由于这种分布式电源的私有性，各个用户的发电和消费情况的不同，因此不适合进行集中式并网控制，同时，由于偏远山区的电力传输问题造成停电，及停电发生时各用户间的功率调度分配，因此适合采用分散式控制方式，对每个用户单元进行分散控制。如图2所示：虚拟同步机控制子单元8作为微型逆变器，包括反激式DC-DC换流器9，并在反激式DC-DC换流器9上加上MPPT控制；一个工频DC-AC逆变器10，在工频DC-AC逆变器10上加上有功/无功调节保证功率的双向流动和系统电压的稳定、加上频率管理进行系统频率的监控，以及再加上分散式控制保证离网状态下的功率分配等；一个LCL滤波器11，在电容上串联电阻起到消除频段的谐振峰；两个旁路电容C1和C2构成。如图3所示：并网操作时，断路器接到并网操作指令，断路器闭合，同时，各虚拟同步机控制子单元8上的电压、电流测量检测到电压、电流的变化，锁相器检测到并网时的频率和相角，在进行有功/无功计算后传到有功/无功管理器中进行控制，同时将测得的频率传到频率管理器中进行控制，再通过分散式控制各虚拟同步机的工频DC-AC逆变器10，以达到系统电压、频率的稳定，不发生电压冲击和频率失调，在电压和频率满足要求时，最大功率追踪控制开始发挥作用，首先由电压测量单元测得光伏等分布式电源输出电压，从而得到输出功率，通过施加扰动，观察扰动方向进行调节控制，在保证系统稳定的情况下，以达到最大功率输出传送给电网或储能单元。离网操作时，电压、电流测量检测到网络结构上电压、电流的变化，锁相器检测到网络结构上的频率和相角，通过有功/无功管理去分散式控制各逆变器，保证电压、频率的稳定，在网络系统稳定的情况下再进行相同的MPPT控制，MPPT控制器控制反激式DC-DC换流器9上绝缘栅双极型晶体IGBT的门极触发电路上，从而控制绝缘栅双极型晶体IGBT的关断，达到最大功率控制的目的。

本实施例的工作原理：

当并网运行时断路器处于闭合状态，整个区域与大电网交流系统相连，用户发出的电量通过反激式DC/DC换流器9，反激式DC/DC换流器9的作用是使通过的光伏直流变成双正弦半波的直流，并可通过反激式DC/DC换流器9上的最大功率追踪(MPPT)控制去保证最大发电量，双正弦半波经过工频DC-AC逆变器10逆变成工频正弦波，通过工频DC-AC逆变器10上的有功/无功管理进行电压和相位的控制，通过频率管理装置进行并网时的频率的控制，从而保证并网时不对系统发生电压冲击和频率不稳定，最后经过控制的波形通过LCL滤波器11滤去高次谐波进行并网，LCL滤波器11上串联一个电阻是为了抑制频段中的谐振峰，用户端的负载接在整个虚拟同步机出口处，及负载与整个区域内的网络母线相连，且一个双向电表12安装在此处监控功率的双向流动，当网络间用户的发电量不能满足网络间各用户的消费时，网络系统则从大电网中进行能量补给，达到功率平衡,且通过虚拟同步机控制子单元8控制能实现大电网系统对微型网络系统的无功补偿和无功消耗，当公用电网系统或分区内任意用户发生大的故障时，断路器应该及时动作进行离网操作，以保证不会对系统产生大的影响。

当孤岛运行时，交流母线上的断路器处于断开状态，区域系统与大电网分离，此时整个分区内的所有用户单元构成一个微电网系统，各用户发出的电量仍然要经过虚拟同步机进行反激式DC-DC换流器9、工频DC-AC逆变器10以及LCL滤波器11进入微型网络结构。由于网络与大电网系统分离，能量不能进入大的系统，功率能量只能在网络内部用户间流动以及通过储能单元4进行储藏，因此，需要在虚拟同步机控制子单元8上的控制结构进行控制，此时工频DC-AC逆变器10上的分散控制能保证整个系统的负载共享和各用户间功率调度分配。以维持系统的稳定和阻止电压偏移，工频DC-AC逆变器10的有功/无功和频率管理控制则可以控制整个微电网系统的功率流动和频率稳定，且有功/无功管理还能进行网络系统间的无功补偿和吸收系统过多无功，当网络系统内的功率消费大于发电量时，储能单元4中的能量进行释放去满足功率平衡，如果功率仍然不能平衡，则分散式控制结构进行用户间的减负荷，减去不重要的负荷，以达到重新的功率平衡。

本实用新型通过微型逆变器作为虚拟同步机接口，在微型逆变器上加上MPPT、有功无功管理、分散式控制方式，并通过改进的LCL滤波器结构对输出波形进行整合，从而构成一个完整的小容量、分散式虚拟同步机结构，不仅有效地解决了微电网并入大电网时的电压冲击、电压偏移以及频率不稳定的问题，还能在解决风能、光能充足的偏远地区的电力传输不便和经常停电的问题，同时还保证了孤岛运行时微电网系统电压和频率的稳定性。