本實用新型屬于電力電子技術(shù)領(lǐng)域，主要涉及一種高壓大容量儲能虛擬同步機(jī)系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

電力作為清潔高效的能源形勢，對社會、經(jīng)濟(jì)的發(fā)展起著至關(guān)重要的作用。為了應(yīng)對能源和環(huán)境的壓力，風(fēng)能、太陽能等可再生分布式新能源受到越來越多的關(guān)注。分布式發(fā)電在改善電網(wǎng)運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性、優(yōu)化電力系統(tǒng)運(yùn)行方式及構(gòu)建環(huán)境友好型電力系統(tǒng)等方面均有重要意義。

分布式電源一般通過并網(wǎng)逆變器接入電網(wǎng)，其具有控制靈活、響應(yīng)快速等優(yōu)點(diǎn)，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(tǒng)同步發(fā)電機(jī)的裝機(jī)比例逐漸降低，電力系統(tǒng)中的旋轉(zhuǎn)備用容量及轉(zhuǎn)動慣量逐步減少；再者，并網(wǎng)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(xiàn)自主協(xié)調(diào)運(yùn)行，這些對電網(wǎng)的安全穩(wěn)定帶來了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。

集成了并網(wǎng)逆變器技術(shù)，可模擬傳統(tǒng)同步發(fā)電機(jī)的外特性的虛擬同步發(fā)電機(jī)（Virtual Synchronous Generator, VSG）技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。儲能虛擬同步機(jī)（VSG）是虛擬同步機(jī)中的一類，直流側(cè)僅帶儲能系統(tǒng)（不含可再生能源）。該系統(tǒng)的特點(diǎn)是，一方面可以通過模擬同步發(fā)電機(jī)的本體模型、有功調(diào)頻和無功調(diào)壓等特性，使并網(wǎng)逆變器可與傳統(tǒng)同步發(fā)電機(jī)的運(yùn)行機(jī)制相比擬，從而改善所在電網(wǎng)的穩(wěn)定性，另一方面利用儲能系統(tǒng)，儲能VSG還可以吸納電網(wǎng)中多余的可再生并網(wǎng)能源、實現(xiàn)削峰填谷等功能。

目前對儲能虛擬同步機(jī)的研究大多集中在低壓、小容量領(lǐng)域，高壓、大容量領(lǐng)域的研究拓?fù)渲饕贖橋鏈?zhǔn)胶蚆MC鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)。鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)將儲能VSG系統(tǒng)劃分為多個鏈節(jié)單元，接線復(fù)雜，占地大、推高了電池成本，且各個鏈節(jié)儲能單元存在懸浮隔離問題，絕緣成本高。此外，鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)的鏈節(jié)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?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)的高壓大容量儲能VSG存在占地大、成本高等問題，實際建設(shè)難度大。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本實用新型目的是：針對現(xiàn)有技術(shù)中高壓大容量鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)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(jī)系統(tǒng)。

具體地說，本實用新型所采取的技術(shù)方案是：一種高壓大容量儲能虛擬同步機(jī)系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，包括升壓單元和多個儲能虛擬同步機(jī)模塊，所述升壓單元包括升壓變壓器和高壓交流開關(guān)，升壓變壓器的一端與低壓母線相連，另一端經(jīng)高壓交流開關(guān)連接到高壓母線；所述儲能虛擬同步機(jī)模塊由變流并聯(lián)單元和直流儲能單元組成，變流并聯(lián)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(guān)和直流EMI電路，直流儲能單元經(jīng)直流EMI電路與變流器的直流側(cè)相連，交流輸出電抗器與交流濾波電容構(gòu)成交流輸出濾波電路，變流器的交流側(cè)經(jīng)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(jīng)低壓交流開關(guān)連接到低壓母線。

上述技術(shù)方案由于通過變流并聯(lián)單元在低壓母線匯流，再通過升壓變壓器實現(xiàn)高壓掛網(wǎng)，可以避免了高壓電池懸浮難題，各個模塊可以統(tǒng)一控制、協(xié)調(diào)運(yùn)行。

上述技術(shù)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(xiàn)功率的四象限運(yùn)行。

上述技術(shù)方案中儲能虛擬同步機(jī)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(guān)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(yùn)行的情形、直流儲能單元的電壓達(dá)不到變流器直流支撐電壓的情形以及對儲能環(huán)節(jié)的隔離有較高要求的情形。

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(lián)二極管的IGBT替代了傳統(tǒng)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(guān)的作用。

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(diào)整功能。

本實用新型同時還公開了另一種高壓大容量儲能虛擬同步機(jī)系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，其技術(shù)方案是：包括多個含升壓單元的儲能虛擬同步機(jī)模塊，所述含升壓單元的儲能虛擬同步機(jī)模塊由升壓單元、變流并聯(lián)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(guān)，變流并聯(lián)單元的直流側(cè)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(jīng)高壓交流開關(guān)連接到高壓母線。

從上述技術(shù)方案可知，其與本實用新型之前公開的高壓大容量儲能虛擬同步機(jī)系統(tǒng)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(jī)模塊組合起來形成含升壓單元的儲能虛擬同步機(jī)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(yīng)用，同時進(jìn)一步提高系統(tǒng)的統(tǒng)一模塊化的設(shè)計水平。

與本實用新型之前公開的高壓大容量儲能虛擬同步機(jī)系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)類似，上述技術(shù)方案中變流并聯(lián)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(guān)和直流EMI電路，直流儲能單元經(jīng)直流EMI電路與變流器的直流側(cè)相連，交流輸出電抗器與交流濾波電容構(gòu)成交流輸出濾波電路，變流器的交流側(cè)經(jīng)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(jīng)低壓交流開關(guān)連接到升壓變壓器。

與本實用新型之前公開的高壓大容量儲能虛擬同步機(jī)系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)類似，上述技術(shù)方案中含升壓單元的儲能虛擬同步機(jī)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(guān)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。

本實用新型的有益效果如下：本實用新型的兩種高壓大容量儲能虛擬同步機(jī)系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，都采用模塊化的設(shè)計思路，分別在低壓母線或高壓母線側(cè)完成并聯(lián)，通過升壓變壓器實現(xiàn)高壓掛網(wǎng)。相比鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)，本實用新型的儲能環(huán)節(jié)單元少，無懸浮絕緣要求，體積小、成本低，且直流側(cè)不存在共模干擾，有利于儲能系統(tǒng)的可靠穩(wěn)定運(yùn)行。同時變流并聯(lián)控制簡單、運(yùn)行可靠，系統(tǒng)更容易模塊化，增容方便，更易維護(hù)，從而大大降低了儲能VSG的施工成本和難度，工程應(yīng)用前景廣闊。

附圖說明

圖1為本實用新型實施例1的結(jié)構(gòu)圖。

圖2為本實用新型實施例1的控制系統(tǒng)框圖。

圖3為本實用新型實施例2的結(jié)構(gòu)圖。

圖4 為本實用新型直流儲能單元的連接方式圖。

具體實施方式

下面結(jié)合實施例并參照附圖對本實用新型作進(jìn)一步詳細(xì)描述。

實施例1：

本實用新型的實施例1為一種高壓大容量儲能虛擬同步機(jī)系統(tǒng)，主要由升壓單元、控制保護(hù)系統(tǒng)以及n個儲能虛擬同步機(jī)模塊（即儲能VSG模塊）組成，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

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(guān)，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(jīng)高壓交流開關(guān)連接到高壓母線，可為三相雙繞組結(jié)構(gòu)。高壓交流開關(guān)用于控制整系統(tǒng)的投入與切出。

如圖1，儲能虛擬同步機(jī)模塊由變流并聯(lián)單元（圖1中為MW級）和直流儲能單元（即圖1中的電池儲能柜）組成。變流并聯(lián)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(guān)和直流EMI電路，直流儲能單元（電池儲能柜）經(jīng)直流EMI電路與變流器的直流側(cè)相連，交流輸出電抗器與交流濾波電容構(gòu)成交流輸出濾波電路，變流器的交流側(cè)經(jīng)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(jīng)低壓交流開關(guān)連接到低壓母線。

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(xiàn)功率的四象限運(yùn)行。交流輸出電抗器輔助實現(xiàn)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△結(jié)構(gòu)，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(guān)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(tǒng)的安全可靠工作。

上述部分的工作原理是：升壓變壓器實現(xiàn)整個系統(tǒng)在高壓母線的掛網(wǎng)，變流并聯(lián)單元在直流儲能單元的支持下，n個模塊協(xié)調(diào)運(yùn)行，模擬同步發(fā)電機(jī)的外特性，并根據(jù)電網(wǎng)實際運(yùn)行工況，完成調(diào)壓調(diào)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(wǎng)進(jìn)行有功支援和有功存儲。

如圖4所示，在實際實施過程中，儲能虛擬同步機(jī)模塊的直流儲能單元和變流器直流側(cè)有多種連接方式。

在直流儲能單元的儲能電池串聯(lián)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(yùn)行的前提下，可考慮通過直流開關(guān)直連方式，即儲能虛擬同步機(jī)模塊的直流儲能單元通過直流開關(guān)與直流EMI電路相連，具體見圖1及圖4（1）。這種方式結(jié)構(gòu)簡單，控制便捷，成本較低。

在直流儲能單元的儲能電池串聯(lián)電壓達(dá)不到變流器直流側(cè)支撐電壓時，要考慮通過DC/DC連接實現(xiàn)直流電壓的調(diào)整，即儲能虛擬同步機(jī)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(lián)二極管的IGBT替代了傳統(tǒng)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(guān)的作用，其成本也較低，只是結(jié)構(gòu)和控制比上面的直流開關(guān)直連方式稍顯復(fù)雜而已。

至于在對儲能環(huán)節(jié)的隔離有較高要求的應(yīng)用場合，就必須采用帶隔離的DC/DC連接，即儲能虛擬同步機(jī)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(jié)構(gòu)，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(diào)整功能，但結(jié)構(gòu)與控制復(fù)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。

系統(tǒng)的控制保護(hù)系統(tǒng)構(gòu)架如圖2所示，為兩層控制架構(gòu)，包括頂層的中央控制器和第二層的多個分控制器。

中央控制器為系統(tǒng)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(tǒng)的整體運(yùn)行狀況信息，并接受各個分控制器上送的相應(yīng)儲能虛擬同步機(jī)模塊的信息，實現(xiàn)對系統(tǒng)的監(jiān)控，另一方面向外部上位機(jī)上送采集數(shù)據(jù)和接收外部上位機(jī)指令以實現(xiàn)人機(jī)交互。同時中央控制器還根據(jù)實際工況和運(yùn)行指令給各個分控制器下發(fā)控制指令，完成系統(tǒng)的整體協(xié)調(diào)控制和并聯(lián)環(huán)流控制，并通過控制系統(tǒng)的交流開關(guān)（含高壓交流開關(guān)和各低壓交流開關(guān)）實現(xiàn)整個系統(tǒng)與各個儲能虛擬同步機(jī)模塊的投切和保護(hù)（即實現(xiàn)系統(tǒng)的全局保護(hù)控制）。

每個分控制器分別控制一個儲能虛擬同步機(jī)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(yīng)儲能虛擬同步機(jī)模塊的運(yùn)行信息和狀態(tài)信息，控制控制相應(yīng)儲能虛擬同步機(jī)模塊輸出（通過調(diào)制PWM脈沖實現(xiàn)），通過開關(guān)（相應(yīng)儲能虛擬同步機(jī)模塊的低壓交流開關(guān)及直流開關(guān)）控制實現(xiàn)虛擬同步機(jī)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(yīng)儲能虛擬同步機(jī)模塊的本模塊保護(hù)（即VSG保護(hù)控制）。

由此可見，本實施例采用模塊化的設(shè)計思路，在低壓母線側(cè)完成并聯(lián)，通過升壓變壓器實現(xiàn)高壓掛網(wǎng)。相比鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)，本實施例的儲能環(huán)節(jié)單元少，無懸浮絕緣要求，體積小、成本低，且直流側(cè)不存在共模干擾，有利于儲能系統(tǒng)的可靠穩(wěn)定運(yùn)行。同時變流并聯(lián)控制簡單、運(yùn)行可靠，系統(tǒng)更容易模塊化，增容方便，更易維護(hù)，從而大大降低了儲能VSG的施工成本和難度，工程應(yīng)用前景廣闊。

實施例2：

實施例2的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)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(jī)模塊組合起來形成含升壓單元的儲能虛擬同步機(jī)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(yīng)用，同時進(jìn)一步提高系統(tǒng)的統(tǒng)一模塊化的設(shè)計水平。

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(jī)系統(tǒng)，包括控制保護(hù)系統(tǒng)和n個含升壓單元的儲能虛擬同步機(jī)模塊。含升壓單元的儲能虛擬同步機(jī)模塊由升壓單元、變流并聯(lián)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(guān)，變流并聯(lián)單元的直流側(cè)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(jīng)高壓交流開關(guān)連接到高壓母線。由于取消了低壓母線，故變流并聯(lián)單元中的交流EMI電路的另一端經(jīng)低壓交流開關(guān)連接到升壓變壓器。

由于將并聯(lián)匯流點(diǎn)移到了高壓母線，因而系統(tǒng)整體信息采集點(diǎn)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。

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(tǒng)的其他控制策略、系統(tǒng)的其他組成、連接形式等等。

雖然本實用新型已以較佳實施例公開如上，但實施例并不是用來限定本實用新型的。在不脫離本實用新型之精神和范圍內(nèi)，所做的任何等效變化或潤飾，同樣屬于本實用新型之保護(hù)范圍。因此本實用新型的保護(hù)范圍應(yīng)當(dāng)以本申請的權(quán)利要求所界定的內(nèi)容為標(biāo)準(zhǔn)。