一种基于电力电子变压器的虚拟同步机控制系统及方法技术方案

本发明专利技术提供了一种基于电力电子变压器的虚拟同步机控制系统及方法，该系统包括高压侧MMC、隔离型DC/DC变换器及电池组，MMC将高压侧三相交流电压变成高压直流电压；隔离型DC/DC变换器的主要功能是将MMC变换得到的高压直流电压变换成低压直流电压。本发明专利技术的虚拟同步机控制系统能够满足大容量虚拟同步机(5MW以上)的要求，同时开关频率低，损耗小；无隔离变压器，效率高；DC/AC侧采用MMC多电平结构，谐波小；直流输出DC1000V以下，满足锂电池电压范围要求，且成本低、控制系统简单易实现。且利用本发明专利技术的虚拟同步机控制系统能够实现一次调频、惯性阻尼及无功调压功能，其控制方式灵活。

A control system and method of virtual synchronizer based on power electronic transformer

The present invention provides a system and method for controlling virtual synchronous machine based on power electronic transformer, the system includes a high side MMC, isolated DC/DC converter and the battery, MMC high voltage side three-phase AC voltage into high voltage DC voltage; the main function of isolated DC/DC converter is the high voltage DC voltage transform MMC transform a low voltage DC voltage. The virtual synchronous machine of the invention control system can meet the requirements of large capacity synchronous virtual machine (5MW) requirements, at the same time, the switching frequency is low, the loss is small; no isolation transformer, high efficiency; DC/AC side using the MMC multilevel structure, small harmonic; DC output below DC1000V, to meet the requirements of the lithium battery voltage range, and the cost is low, the control system is simple and easy to realize. And the virtual synchronizer control system of the invention can realize the function of primary frequency modulation, inertia damping and reactive voltage regulation, and its control mode is flexible.

【技术实现步骤摘要】
一种基于电力电子变压器的虚拟同步机控制系统及方法
本专利技术属于虚拟同步机
，特别涉及一种基于电力电子变压器的虚拟同步机控制系统及方法。
技术介绍
我国风电、光伏装机规模已位居世界第一，并保持高速发展。与火电等同步发电机相比，风电、光伏发电不具备阻尼功率振荡、惯性调频、自主调压的能力，大规模接入电网后，将影响电网的电压/频率稳定性。虚拟同步机通过实时跟踪系统频率、电压变化，模拟同步发电机一次调频和励磁控制机制，自动调节有功和无功输出，自适应参与系统频率、电压调节，提升区域电网的安全稳定运行水平。采用虚拟同步机技术，可使间歇式新能源发电具备与常规火电接近的外特性。现新能源和微电网调频，一是靠光伏和风电等变流器具备一定的调频功能；二是靠几十千瓦小容量的虚拟同步机，这主要是因为储能电池并联一致性要求，不能容量太大，需要大容量集中式虚拟同步机时，靠多机并联，但由于并联控制的为分散控制，一般通过通讯等，其输出一致性和响应时间等达不到系统要求。大容量电站式虚拟同步机概念被提出，用于实现整个光伏电站或者风电场的虚拟同步机特性。大容量集中式虚拟同步机一般要求在MW级以上，原边交流输入为AC35kV或者10kV电网，副边输出直流电压，连接电池系统。基于目前电池制造水平，电池系统最高电压一般为DC1000V以下。研究者提出了多种电站式虚拟同步机电路拓扑,可以分为两种，一种是采用隔离变压器，将AC35kV电压降至690V以下，再接单级或者两级低压逆变器，典型拓扑如图1所示。该拓扑优点为1)储能电池可以采用成熟的1000V及以下电压等级的电池；2)控制系统简单，技术成熟，易实现。该方案的明显缺点为带隔离变流器，效率低。第二种是采用链式直挂结构，典型拓扑如图2所示。该方案实现原理为在原传统SVG的每个子模块有一个电池组，根据电网电压Vs的不同，可以采用6kV,10kV和35kV等H桥链式方案。该方案优点为1)单极拓扑，开关频率低，系统效率高。2)每组电池电压可以选择DC1000V及以下电压等级的电池，同时每个子模块储能电池单元的容量较小，电池并联的数量也较小，对储能电池组的一致性要求较低。该方案缺点为1)每个子模块都配备一组储能电池单元，以10kV为例，需要配置60组储能电池，也就需要60个电池管理系统BMS，不仅增加了系统成本，且BMS数据量也很大，大大增加了数据处理的难度；2)在高压环境中，因系统存在共模干扰，对BMS的耐共模干扰的要求也比较高；3)子模块含储能电池后，其子模块均压控制策略就变得更复杂，在进行有功输出调频过程中，如果各子模块储能电池组的SOC或放电速率不同，都会导致每个子模块的电压相差较大，这样输出电流的THD控制就变得比较复杂，容易造成波形畸变。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种基于电力电子变压器的虚拟同步机控制系统及方法，用于解决现有技术的变电站虚拟同步发电机控制系统复杂、效率低、成本高的问题。为实现上述目的，本专利技术的技术方案是：一种基于电力电子变压器的虚拟同步机控制系统，包括MMC换流器、高频隔离变换器和电池组，所述MMC换流器包括三相桥臂，每相桥臂包括n个级联的MMC子模块，所述MMC换流器的交流侧用于连接电网，所述MMC换流器的直流侧与所述高频隔离变换器连接，所述高频隔离变换器与所述电池组连接，用于实现一次调频、惯性阻尼和无功调压。进一步地，所述电池组包括钛酸锂电池、磷酸锂电池或三元电池。进一步地，所述高频隔离变换器包括DC/DC子模块，各DC/DC子模块的高压侧依次串联，各DC/DC子模块的低压侧“+”母线连接到一起，“-”母线连接到一起，以形成低压直流母线。本专利技术还提供了一种基于电力电子变压器的虚拟同步发电机控制方法，当采用一次调频控制方法时，将并网电压的频率指令值与反馈的实际并网电压频率值作差，与有功频率系数相乘得到有功功率偏差反馈指令值，将所述有功功率偏差反馈指令值与设定的有功功率指令值相加得到虚拟同步发电机的机械功率指令值，完成对电网频率的调节。本专利技术还提供了一种基于电力电子变压器的虚拟同步发电机控制方法，当采用惯性阻尼控制方法时，虚拟同步发电机具有惯量特性，所述虚拟同步发电机的有功功率表示为：其中，ΔP为虚拟同步发电机的有功功率，Tj为有功功率响应时间，fN为虚拟同步发电机并网点频率，PN为虚拟同步发电机额定有功功率。本专利技术还提供了一种基于电力电子变压器的虚拟同步发电机控制方法，当采用无功调压控制方法时，将电压指令值与电压反馈值作差，与电压调节系数相乘得到无功功率偏差反馈指令值，将无功功率偏差反馈指令值与无功功率设定值相加得到无功功率指令值，将无功功率指令值与无功功率反馈值作差输出无功功率进行调节。进一步地，所述无功功率反馈值为逆变器机端输出的瞬时无功功率值，表示为：其中，Qe为逆变器机端输出的瞬时无功功率值，ua、ub、uc分别为对应的三相电网电压，ia、ib、ic分别为对应的三相电流。本专利技术的有益效果是：本专利技术提供了一种基于电力电子变压器的虚拟同步机控制系统，该系统包括高压侧MMC、隔离型DC/DC变换器及电池组，MMC将高压侧三相交流电压变成高压直流电压；隔离型DC/DC变换器的主要功能是将MMC变换得到的高压直流电压变换成低压直流电压。本专利技术的虚拟同步机控制系统能够满足大容量虚拟同步机(5MW以上)的要求，同时开关频率低，损耗小；无隔离变压器，效率高；DC/AC侧采用MMC多电平结构，谐波小；直流输出DC1000V以下，满足锂电池电压范围要求，且成本低、控制系统简单易实现，且利用本专利技术的虚拟同步机控制系统能够实现一次调频、惯性阻尼及无功调压功能，其控制方式灵活。附图说明图1为现有技术的带隔离变压器的DC/DC与DC/AC虚拟同步机电路结构示意图；图2为链式虚拟同步机拓扑电路结构示意图；图3为本专利技术的基于电力电子变压器拓扑的虚拟同步机电路结构示意图；图4为DC/DC子模块结构示意图；图5为MMC子模块原理示意图；图6为一次调频控制框图；图7为一次调频曲线图；图8为无功调压控制框图。具体实施方式下面结合附图对本专利技术的具体实施方式作进一步的说明：本专利技术的一种基于电力电子变压器的虚拟同步机控制系统的实施例：一种基于电力电子变压器拓扑的电站式虚拟同步发电机控制系统，如图3所示，该控制系统包括MMC换流器、ISOP(input-seried-output-parallel)高频隔离变换器及电池组，MMC的交流侧与AC35KV或AC10KV电网连接，MMC换流器包括三相桥臂，每相桥臂包括n个级联的MMC子模块和桥臂电抗器，各MMC子模块包括2个IGBT、一个直流电容和一个放电电阻，MMC换流器的直流侧与高频隔离变换器连接，高频隔离变换器包括若干个DC/DC子模块，各子模块的高压侧依次串联，子模块低压侧“+”母线连接到一起，“—”母线连接到一起，形成低压侧直流输出端口，使高频隔离变换器与电池组连接，用于实现一次调频、惯性阻尼和无功调压。1)惯性阻尼控制方法：当系统频率偏差大于±0.03Hz时，虚拟同步发电机应具有惯量特性，响应于快速频率变化，增加/降低其有功功率输出。惯量响应时，虚拟同步发电机有功功率响应按照公式(1)进行，最大有功功率为120％PN，响应时间不大于500ms本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于电力电子变压器的虚拟同步机控制系统，其特征在于，包括MMC换流器、高频隔离变换器和电池组，所述MMC换流器包括三相桥臂，每相桥臂包括n个级联的MMC子模块，所述MMC换流器的交流侧用于连接电网，所述MMC换流器的直流侧与所述高频隔离变换器连接，所述高频隔离变换器与所述电池组连接，用于实现一次调频、惯性阻尼和无功调压。

【技术特征摘要】
1.一种基于电力电子变压器的虚拟同步机控制系统，其特征在于，包括MMC换流器、高频隔离变换器和电池组，所述MMC换流器包括三相桥臂，每相桥臂包括n个级联的MMC子模块，所述MMC换流器的交流侧用于连接电网，所述MMC换流器的直流侧与所述高频隔离变换器连接，所述高频隔离变换器与所述电池组连接，用于实现一次调频、惯性阻尼和无功调压。2.根据权利要求1所述的基于电力电子变压器的虚拟同步机控制系统，其特征在于，所述电池组包括钛酸锂电池、磷酸锂电池或三元电池。3.根据权利要求1所述的基于电力电子变压器的虚拟同步机控制系统，其特征在于，所述高频隔离变换器包括DC/DC子模块，各DC/DC子模块的高压侧依次串联，各DC/DC子模块的低压侧“+”母线连接到一起，“-”母线连接到一起，以形成低压直流母线。4.一种基于电力电子变压器的虚拟同步发电机控制方法，其特征在于，当采用一次调频控制方法时，将并网电压的频率指令值与反馈的实际并网电压频率值作差，与有功频率系数相乘得到有功功率偏差反馈指令值，将所述有功功率偏差反馈指令值与设定的有功功率指令值相加得到虚拟同步发电机的机械功率指令值，完成对电网频率的调节...

【专利技术属性】
技术研发人员：姚为正，刘刚，孙健，徐明明，翟超，王青龙，汪海涛，李继凯，
申请(专利权)人：许继电气股份有限公司，许继集团有限公司，国网新源张家口风光储示范电站有限公司，国家电网公司，
类型：发明
国别省市：河南,41