[发明专利]一种基于电力电子变压器的虚拟同步机控制系统及方法

说明书

本发明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。

技术领域

本发明属于虚拟同步机技术领域，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。

背景技术

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。

发明内容

本发明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，本发明的技术方案是：

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。