一种级联式高压大容量储能虚拟同步机系统的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种级联式高压大容量储能虚拟同步机系统及其子模块，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，实现高压大容量储能变流器拓扑结构，该拓扑具备经过升压变压器接入上级高压电网的能力，同时控制系统兼顾了虚拟同步发电机技术的优良特性，良好的解决了目前新能源并网问题。功率转换单元通过级联的方式实现大容量高压储能虚拟同步机技术，模块化的设计易于实现低压小功率化，并方便系统扩容升级、工业化组装配置以及系统的维护替换。
【专利说明】
一种级联式高压大容量储能虚拟同步机系统
技术领域
[0001]本发明属于电力电子技术领域，主要涉及一种级联式高压大容量储能虚拟同步机系统。
【背景技术】
[0002]随着社会的发展，人类对能源的需求与日倶增。然而，由于新能源发电系统与传统发电装置有着很大差异，其大规模推广也会面临诸多问题。
[0003]近年来电力电子装置在电网输配中扮演着重要角色，其应用范围广，控制快速灵活，电能转换效率高。针对新能源系统输出功率波动的问题，目前较多研究采用加装储能装置的方式抑制输出功率波动，储能变流器系统因解决了新能源接入时功率波动问题而得到广泛推广应用。然而尽管储能装置在新能源中应用可以解决其输出波动性的问题，但是新能源系统缺少惯性的特点仍使其没有对维持电网动态稳定性做出应有贡献。
[0004]同步发电机具有对电网天然友好的优势，其在电力系统运行中能够实现自动频率调节，自动电压调节，无功自动均衡，故障无功支撑等功能。虚拟同步发电机(VirtualSynchronous Generator，VSG)技术的提出为解决新能源并网特性问题提供了一个具有研究价值的解决方案，其最早由欧洲VSYNC项目提出，其基本思想是基于同步发电机数学模型实现对分布式电源的控制，达到使其模拟同步发电机的基本特性的目的。具体而言，主要通过模拟同步发电机的本体模型、有功调频以及无功调压等特性，使并网逆变器从运行机制和外特性上可与传统同步发电机相比拟。
[0005]若借鉴传统电力系统运行经验，使储能变流器系统具有类似同步发电机的运行特性，则有望实现新能源系统的友好接入并提高电力系统稳定性。
【发明内容】
[0006]本发明目的是:结合储能变流器和同步发电机的特点，提出一种级联式高压大容量储能虚拟同步机系统，该系统通过基于虚拟同步发电机原理的高压大容量储能变流器系统拓扑实现。本发明亦同时提供该系统的系统子模块，该系统子模块可以通过级联的方式实现前述级联式高压大容量储能虚拟同步机系统。
[0007]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子模块，包括储能单元和功率转换单元，储能单元有多节储能电池组成，所述功率转换单元包括储能变流接口模块、双向H桥变流模块和控制单元，其中，储能变流接口模块用于连接储能单元和双向H桥变流模块，其一侧与储能单元相接，另一侧与双向H桥变流模块的直流侧相连;双向H桥变流模块为双向H桥变流器，其交流侧用于连接高压电网；控制单元通过PWM驱动控制双向H桥变流模块，其包括VSG本体控制模块、VSG励磁控制模块以及传统双向变流控制模块，其中VSG本体控制模块用于根据同步发电机转动惯量与输入机械功率、电磁功率和阻尼系数和转子角频率的关系以及定子内电动势与定子端电压与定子电阻电抗的关系与电网控制变量进行代换、并建立相应的VSG控制方程，VSG励磁控制模块用于根据同步发电机的有功频率下垂特性和无功电压下垂特性建立相应的电网系统参数控制，传统双向变流控制模块用于实现传统电压外环电流内环变流控制。
[0008]上述储能变流接口模块包括两种具体结构，一种为非隔离式预充电结构，另一种为隔离式DC-DC双向变换结构。
[0009]非隔离式预充电结构可包括LCL滤波单元、开关器件以及与开关器件并联的电阻，开关器件和与开关器件并联的电阻构成预充电电路，LCL滤波单元用于对高次直流谐波进行过滤，双向H桥变流模块通过LCL滤波单元与预充电电路的一侧相接，储能单元与预充电电路的另一侧相接。隔离式DC-DC双向变换结构可为二极管钳位型NPC三电平拓扑加三相变压器结构。
[0010]非隔离式预充电结构由于没有了直流转换环节对储能单元输出直流电压要求较高，但是省去了直流转换环节，能够减少损耗精简控制。而隔离式DC-DC双向变换结构由于可以对直流电压进行变换，因此这种结构对储能单元输出电压要求相对较小，并且由于其含有变压器，能够实现储能单元和双向H桥变流模块电压的隔离。
[0011]采用上述高压大容量储能虚拟同步机系统子模块组建级联式高压大容量储能虚拟同步机系统的技术方案是:包括升压变压器、传输电感和多个上述高压大容量储能虚拟同步机系统子模块，各系统子模块级联后通过传输电感直挂高压电网，再经过升压变压器接入上级高压电网。
[0012]本发明的有益效果如下:本发明的级联式高压大容量储能虚拟同步机系统，由于采用多个系统子模块级联而成，易于满足储能系统更大容量、更高电压的设计要求，特别适合高压大功率场合应用。而且每个系统子模块可以实现独立的四象限功率输出，在功能上保证了各个储能链节中储能装置的能量“平衡”控制的实现，且多级级联的链式拓扑结构等效开关频率很高，谐波畸变小。采用模块化组件结构设计，具有易扩展、可级联，方便维护的应用特点。同时控制单元兼顾了虚拟同步发电机技术的优良特性，良好的解决了目前新能源并网问题。
【附图说明】
[0013]图1为本发明的级联式高压大容量储能虚拟同步机系统拓扑结构图。
[0014]图2为隔离式DC-DC双向变换结构的一种拓扑结构图。
[0015]图3为非隔离式预充电结构的一种拓扑结构图。
[0016]图4为双向H桥变流器的结构图。
[0017]图5为本发明控制单元的系统框图。
【具体实施方式】
[0018]下面结合实施例并参照附图对本发明作进一步详细描述。
[0019]实施例1:
实施例1是一种级联式高压大容量储能虚拟同步机系统，其拓扑结构如图1所示。如图所示，该系统包括升压变压器、传输电感和多个系统子模块，各系统子模块级联后通过传输电感直挂高压电网(图1中为1kV电网)，再经过升压变压器接入上级高压电网(图1中为35kV电网)。
[0020]级联的子模块由四个部分组成:储能单元、储能变流接口模块、双向H桥变流模块和控制单元。储能单元有多节储能电池串接组成，即储能电池组。储能变流接口模块、双向H桥变流模块和控制单元共同构成功率转换单元。
[0021]储能变流接口模块用于连接储能单元和双向H桥变流模块，其一侧与储能单元相接，另一侧与双向H桥变流模块的直流侧相连。
[0022]储能变流接口模块的具体结构如图2所示，其为一种隔离式DC-DC双向变换结构，采用二极管钳位型(NPC)三电平拓扑加三相变压器结构实现，该三相变压器为中频变压器。相较于单相H桥和单相变压器模式，NPC三电平拓扑结构具有开关损耗小、输出电流谐波小、工作效率高和能够获得较高调制频率以及控制方法成熟的优点，避免了采用单相变压器需要较大传输电感和隔直电容且大电感电容较难选型的困难。当储能电池连接采用隔离式DC-DC双向变换结构的储能变流接口模块时，由于该储能变流接口模块可以对直流电压进行变换，因此这种结构对储能电池组输出电压要求相对较小，且由于其中含有中频变压器，还能实现储能电池组和双向H桥变流模块电压的隔离。
[0023]双向H桥变流模块的具体结构如图4所示，其为双向H桥变流器，其交流侧用于连接高压电网，直流侧与储能变流接口模块相连。由于采用隔离式DC-DC双向变换结构的储能变流接口模块和双向H桥变流模块均为双向变流单元，可以实现能量从储能电池组向高压电网的传输变换，又可实现从高压电网向储能电池组的能量流动。
[0024]控制单元的系统框图如图5所示，其为一种在传统电压外环电流内环变流控制基础上加入带有虚拟同步机原理的控制系统，通过PWM驱动控制双向H桥变流模块，包括VSG本体控制模块、VSG励磁控制模块以及传统双向变流控制模块。
[0025]VSG励磁控制模块用于根据同步发电机的有功频率下垂特性和无功电压下垂特性建立相应的电网系统参数控制，如图所示，其根据系统额定有功和无功以及电网计算瞬时有功和无功计算有功和电压。VSG本体控制模块用于根据同步发电机转动惯量与输入机械功率、电磁功率和阻尼系数和转子角频率的关系以及定子内电动势与定子端电压与定子电阻电抗的关系与电网控制变量进行代换、并建立相应的VSG控制方程，如图所示，其结合计算有功和电压以及电网检测瞬时三相电压电流得到两相静止坐标。传统双向变流控制模块用于实现传统电压外环电流内环变流控制，如图所示，其结合两相静止坐标以及电网检测瞬时三相电压电流得到PWM驱动波，再由器件驱动端口对双向H桥变流模块进行控制。
[0026]从以上说明可以看出，本实施例通过将相应单元模块组合成级联的系统子模块实现能量从储能电池到电网的双向流动。这种通过将多个级联子模块串联连接实现大容量高压储能虚拟同步机的设计，使整个系统具有易扩展、易升级、可级联，方便维护的应用特点。该拓扑具备经过升压变压器接入35KV电网的能力，同时控制系统兼顾了虚拟同步发电机技术的优良特性，良好的解决了目前新能源并网问题。
[0027]实施例2:
本实施例与实施例1除储能变流接口模块的具体结构外，其余与实施例1基本相同。
[0028]本实施例的储能变流接口模块的具体结构如图3所示，其为一种非隔离式预充电结构，具体包括LCL滤波单元、开关器件以及与开关器件并联的电阻(该电阻可以是电阻串的形式)，开关器件和与开关器件并联的电阻构成预充电电路，LCL滤波单元用于对高次直流谐波进行过滤，双向H桥变流模块通过LCL滤波单元与预充电电路的一侧相接，储能单元与预充电电路的另一侧相接。这样解决了高压挂网浮地问题，同时也滤除了直流侧高次电流/电压谐波，抑制了高频纹波。由于没有了直流转换环节，对储能单元输出直流电压要求较高，但是省去了直流转换环节，能够减少损耗精简控制，适合对损耗要求比较高的场合。
[0029]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。
【主权项】
1.一种高压大容量储能虚拟同步机系统子模块，包括储能单元和功率转换单元，储能单元有多节储能电池组成，其特征在于，所述功率转换单元包括储能变流接口模块、双向H桥变流模块和控制单元，其中: 储能变流接口模块用于连接储能单元和双向H桥变流模块，其一侧与储能单元相接，另一侧与双向H桥变流模块的直流侧相连； 双向H桥变流模块为双向H桥变流器，其交流侧用于连接高压电网； 控制单元通过PWM驱动控制双向H桥变流模块，其包括VSG本体控制模块、VSG励磁控制模块以及传统双向变流控制模块，其中VSG本体控制模块用于根据同步发电机转动惯量与输入机械功率、电磁功率和阻尼系数和转子角频率的关系以及定子内电动势与定子端电压与定子电阻电抗的关系与电网控制变量进行代换、并建立相应的VSG控制方程，VSG励磁控制模块用于根据同步发电机的有功频率下垂特性和无功电压下垂特性建立相应的电网系统参数控制，传统双向变流控制模块用于实现传统电压外环电流内环变流控制。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子模块，其特征在于:所述储能变流接口模块为非隔离式预充电结构。3.根据权利要求2所述的高压大容量储能虚拟同步机系统子模块，其特征在于:所述非隔离式预充电结构包括LCL滤波单元、开关器件以及与开关器件并联的电阻，开关器件和与开关器件并联的电阻构成预充电电路，LCL滤波单元用于对高次直流谐波进行过滤，双向H桥变流模块通过LCL滤波单元与预充电电路的一侧相接，储能单元与预充电电路的另一侧相接。4.根据权利要求1所述的高压大容量储能虚拟同步机系统子模块，其特征在于:所述储能变流接口模块为隔离式DC-DC双向变换结构。5.根据权利要求4所述的高压大容量储能虚拟同步机系统子模块，其特征在于:所述隔离式DC-DC双向变换结构为二极管钳位型NPC三电平拓扑加三相变压器结构。6.一种级联式高压大容量储能虚拟同步机系统，其特征在于:包括升压变压器、传输电感和多个如权利要求1所述的高压大容量储能虚拟同步机系统子模块，各系统子模块级联后通过传输电感直挂高压电网，再经过升压变压器接入上级高压电网。7.如权利要求6所述的级联式高压大容量储能虚拟同步机系统，其特征在于:所述各系统子模块的储能变流接口模块为非隔离式预充电结构。8.如权利要求7所述的级联式高压大容量储能虚拟同步机系统，其特征在于:所述非隔离式预充电结构包括LCL滤波单元、开关器件以及与开关器件并联的电阻，开关器件和与开关器件并联的电阻构成预充电电路，LCL滤波单元用于对高次直流谐波进行过滤，双向H桥变流模块通过LCL滤波单元与预充电电路的一侧相接，储能单元与预充电电路的另一侧相接。9.如权利要求6所述的级联式高压大容量储能虚拟同步机系统，其特征在于:所述各系统子模块的储能变流接口模块为隔离式DC-DC双向变换结构。10.如权利要求9所述的级联式高压大容量储能虚拟同步机系统，其特征在于:所述隔离式DC-DC双向变换结构为二极管钳位型NPC三电平拓扑加三相变压器结构。
【文档编号】H02J3/40GK105932719SQ201610166413
【公开日】2016年9月7日
【申请日】2016年3月22日
【发明人】刘建平, 侯凯, 何安然, 蒋应伟, 张青杰, 隗华容, 冯世宁
【申请人】国电南瑞科技股份有限公司, 南京南瑞集团公司, 国家电网公司