一种高压大容量储能虚拟同步机系统拓扑结构技术方案

本实用新型专利技术公开了一种高压大容量储能虚拟同步机系统拓扑结构，属于电力电子技术领域。本实用新型专利技术基于虚拟同步发电机（VSG）原理，通过变流并联单元在低压母线汇流，通过升压变压器实现高压挂网，避免了高压电池悬浮难题；各个模块统一控制、协调运行。本实用新型专利技术相对链式结构，占地小，成本低，增容方便，更易于产业化。同时本实用新型专利技术还公开了另一种含多升压变压器的高压大容量储能虚拟同步机系统拓扑结构，该拓扑结构与本实用新型专利技术公开的上述拓扑结构相比，将并联汇流点移到了高压母线，适合在大容量升压变存在制造困难时使用，同样具有较大的应用推广前景。

【技术实现步骤摘要】

本技术属于电力电子
，主要涉及一种高压大容量储能虚拟同步机系统。
技术介绍
电力作为清洁高效的能源形势，对社会、经济的发展起着至关重要的作用。为了应对能源和环境的压力，风能、太阳能等可再生分布式新能源受到越来越多的关注。分布式发电在改善电网运行经济性、优化电力系统运行方式及构建环境友好型电力系统等方面均有重要意义。分布式电源一般通过并网逆变器接入电网，其具有控制灵活、响应快速等优点，但也存在缺少惯量和阻尼等不足。随着分布式电源渗透率的不断增加，传统同步发电机的装机比例逐渐降低，电力系统中的旋转备用容量及转动惯量逐步减少；再者，并网逆变器控制策略各异，电源输出功率存在波动和不确定性，很难实现自主协调运行，这些对电网的安全稳定带来了严峻的挑战。集成了并网逆变器技术，可模拟传统同步发电机的外特性的虚拟同步发电机（Virtual Synchronous Generator, VSG）技术应运而生。储能虚拟同步机（VSG）是虚拟同步机中的一类，直流侧仅带储能系统（不含可再生能源）。该系统的特点是，一方面可以通过模拟同步发电机的本体模型、有功调频和无功调压等特性，使并网逆变器可与传统同步发电机的运行机制相比拟，从而改善所在电网的稳定性，另一方面利用储能系统，储能VSG还可以吸纳电网中多余的可再生并网能源、实现削峰填谷等功能。目前对储能虚拟同步机的研究大多集中在低压、小容量领域，高压、大容量领域的研究拓扑主要基于H桥链式和MMC链式结构。链式结构将储能VSG系统划分为多个链节单元，接线复杂，占地大、推高了电池成本，且各个链节储能单元存在悬浮隔离问题，绝缘成本高。此外，链式结构的链节不能无限堆积，目前成熟的直挂电压等级为10kV，在更高的电压等级上大容量的升压变压仍然无法省略。因而链式结构的高压大容量储能VSG存在占地大、成本高等问题，实际建设难度大。
技术实现思路
本技术目的是：针对现有技术中高压大容量链式结构储能VSG存在的缺陷，提出新式的高压大容量储能虚拟同步机系统。具体地说，本技术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拓扑结构，包括升压单元和多个储能虚拟同步机模块，所述升压单元包括升压变压器和高压交流开关，升压变压器的一端与低压母线相连，另一端经高压交流开关连接到高压母线；所述储能虚拟同步机模块由变流并联单元和直流储能单元组成，变流并联单元包括变流器、交流输出电抗器、交流滤波电容、交流EMI电路、低压交流开关和直流EMI电路，直流储能单元经直流EMI电路与变流器的直流侧相连，交流输出电抗器与交流滤波电容构成交流输出滤波电路，变流器的交流侧经交流输出滤波电路与交流EMI电路的一端相连，交流EMI电路的另一端经低压交流开关连接到低压母线。上述技术方案由于通过变流并联单元在低压母线汇流，再通过升压变压器实现高压挂网，可以避免了高压电池悬浮难题，各个模块可以统一控制、协调运行。上述技术方案中变流器可以为基于IGBT器件的三相桥式变流电路，从而实现功率的四象限运行。上述技术方案中储能虚拟同步机模块的直流储能单元与直流EMI电路相连有多种连接方式，如可以通过直流开关与直流EMI电路相连，或者通过非隔离的DC/DC电路与直流EMI电路相连，或者通过带隔离的DC/DC电路与直流EMI电路相连，这三种方式分别适用于直流储能单元的电压能满足变流器直流支撑电压使其能在各工况下完成四象限运行的情形、直流储能单元的电压达不到变流器直流支撑电压的情形以及对储能环节的隔离有较高要求的情形。上述的非隔离的DC/DC电路可以为基于IGBT器件的BOOST升压电路，该电路用带反并联二极管的IGBT替代了传统BOOST电路的二极管，既能保证功率的双向流动，又能起到直流开关的作用。上述的带隔离的DC/DC电路可以为带隔离变压器的双边H桥电路，这种方式在完成电气隔离的同时具备直流电压调整功能。本技术同时还公开了另一种高压大容量储能虚拟同步机系统拓扑结构，其技术方案是：包括多个含升压单元的储能虚拟同步机模块，所述含升压单元的储能虚拟同步机模块由升压单元、变流并联单元和直流储能单元组成，升压单元包括升压变压器和高压交流开关，变流并联单元的直流侧与直流储能单元相连、交流测与升压变压器的一端相连，升压变压器的另一端经高压交流开关连接到高压母线。从上述技术方案可知，其与本技术之前公开的高压大容量储能虚拟同步机系统相比，主要就是将单一的升压单元分为多个升压单元，并与各个储能虚拟同步机模块组合起来形成含升压单元的储能虚拟同步机模块。这样可以通过以若干个小容量的升压变压器来代替一个大容量的升压变压器，特别适合在大容量升压变压器存在制造困难时的应用，同时进一步提高系统的统一模块化的设计水平。与本技术之前公开的高压大容量储能虚拟同步机系统拓扑结构类似，上述技术方案中变流并联单元的形式，也可以为包括变流器、交流输出电抗器、交流滤波电容、交流EMI电路、低压交流开关和直流EMI电路，直流储能单元经直流EMI电路与变流器的直流侧相连，交流输出电抗器与交流滤波电容构成交流输出滤波电路，变流器的交流侧经交流输出滤波电路与交流EMI电路的一端相连，交流EMI电路的另一端经低压交流开关连接到升压变压器。与本技术之前公开的高压大容量储能虚拟同步机系统拓扑结构类似，上述技术方案中含升压单元的储能虚拟同步机模块的直流储能单元与直流EMI电路相连也有多种连接方式，如通过直流开关或者通过非隔离的DC/DC电路或者通过带隔离的DC/DC电路与直流EMI电路相连，所述非隔离的DC/DC电路可以为基于IGBT器件的BOOST升压电路，所述带隔离的DC/DC电路可以为带隔离变压器的双边H桥电路。本技术的有益效果如下：本技术的两种高压大容量储能虚拟同步机系统拓扑结构，都采用模块化的设计思路，分别在低压母线或高压母线侧完成并联，通过升压变压器实现高压挂网。相比链式结构，本技术的储能环节单元少，无悬浮绝缘要求，体积小、成本低，且直流侧不存在共模干扰，有利于储能系统的可靠稳定运行。同时变流并联控制简单、运行可靠，系统更容易模块化，增容方便，更易维护，从而大大降低了储能VSG的施工成本和难度，工程应用前景广阔。附图说明图1为本技术实施例1的结构图。图2为本技术实施例1的控制系统框图。图3为本技术实施例2的结构图。图4 为本技术直流储能单元的连接方式图。具体实施方式下面结合实施例并参照附图对本技术作进一步详细描述。实施例1：本技术的实施例1为一种高压大容量储能虚拟同步机系统，主要由升压单元、控制保护系统以及n个储能虚拟同步机模块（即储能VSG模块）组成，其系统结构如图1所示。如图1，升压单元包括升压变压器（图1中为MW级）和高压交流开关，升压变压器用于完成升压功能，其一端与低压母线相连，另一端经高压交流开关连接到高压母线，可为三相双绕组结构。高压交流开关用于控制整系统的投入与切出。如图1，储能虚拟同步机模块由变流并联单元（图1中为MW级）和直流储能单元（即图1中的电池储能柜）组成。变流并联单元包括变流器、交流输出电抗器、交流滤波电容、交流EMI电路、低压交流开关和直流EMI电路，直流储能单元（电池储能本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种高压大容量储能虚拟同步机系统拓扑结构，包括升压单元和多个储能虚拟同步机模块，其特征在于：所述升压单元包括升压变压器和高压交流开关，升压变压器的一端与低压母线相连，另一端经高压交流开关连接到高压母线；所述储能虚拟同步机模块由变流并联单元和直流储能单元组成，变流并联单元包括变流器、交流输出电抗器、交流滤波电容、交流EMI电路、低压交流开关和直流EMI电路，直流储能单元经直流EMI电路与变流器的直流侧相连，交流输出电抗器与交流滤波电容构成交流输出滤波电路，变流器的交流侧经交流输出滤波电路与交流EMI电路的一端相连，交流EMI电路的另一端经低压交流开关连接到低压母线。

【技术特征摘要】
1.一种高压大容量储能虚拟同步机系统拓扑结构，包括升压单元和多个储能虚拟同步机模块，其特征在于：所述升压单元包括升压变压器和高压交流开关，升压变压器的一端与低压母线相连，另一端经高压交流开关连接到高压母线；所述储能虚拟同步机模块由变流并联单元和直流储能单元组成，变流并联单元包括变流器、交流输出电抗器、交流滤波电容、交流EMI电路、低压交流开关和直流EMI电路，直流储能单元经直流EMI电路与变流器的直流侧相连，交流输出电抗器与交流滤波电容构成交流输出滤波电路，变流器的交流侧经交流输出滤波电路与交流EMI电路的一端相连，交流EMI电路的另一端经低压交流开关连接到低压母线。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拓扑结构，其特征在于：所述变流器为基于IGBT器件的三相桥式变流电路。3.根据权利要求1或2所述的高压大容量储能虚拟同步机系统拓扑结构，其特征在于：所述储能虚拟同步机模块的直流储能单元通过直流开关或者通过非隔离的DC/DC电路或者通过带隔离的DC/DC电路与直流EMI电路相连。4.根据权利要求3所述的高压大容量储能虚拟同步机系统拓扑结构，其特征在于：所述非隔离的DC/DC电路为基于IGBT器件的BOOST升压电路。5.根据权利要求3所述的高压大容量储能虚拟同步机系统拓扑结构，其特征在于：所述带隔离的DC/DC电路为带隔离变压器的双边H桥电路。6.一种新型高压大容量储能虚...

【专利技术属性】
技术研发人员：蒋应伟，侯凯，何安然，张青杰，刘建平，隗华荣，冯世宁，
申请(专利权)人：国家电网公司，国电南瑞科技股份有限公司，南京南瑞集团公司，
类型：新型
国别省市：北京;11