技术领域
[0001] 本实用新型属于电
力电子技术领域，尤其涉及一种使用电池储能的虚拟同步机。
背景技术
[0002] 大部分新
能源发电设备均使用电力电子器件并网，难以参与系统的调频过程，也无法像传统发
电机一样为系统提供惯量与阻尼。同时，新能源出力还具有一定的随机性和不确定性，这进一步恶化了电力系统的暂态和动态特性。
[0003] 一种新的电力电子设备称为虚拟同步机(VSG)，这种电力电子变换器具有传统同步机的功频特性与阻尼特性。目前，大多虚拟同步机(VSG)的研究是针对系统中已有的电力电子元件，使用虚拟同步而改善设备的动态特性，而没有考虑新型虚拟同步设备在现代电力系统中的新应用，且这些研究主要针对两电平
电压源换流器(VSC)。实用新型内容
[0004] 本实用新型的目的是提供一种利用储能电池模拟出同步机的惯性和调速器特性，以减小系统的暂态有功缺额和降低
频率偏差的虚拟同步机。
[0005] 本实用新型采用的技术方案是：一种使用电池储能的虚拟同步机，包括
电网，还包括
模块化多电平换流器、储能电池、虚拟同步
控制器、内环
电流控制器和
锁相环，模块化多电平换流器交流侧与电网连接、直流侧与储能电池连接，虚拟同步控制器连接内环电流控制器，内环电流控制器与
锁相环共同连接到模块多电平换流器；其中：
[0006] 电网频率发生变化，虚拟同步控制器响应频率变化，从而改变d轴电流注入量，并采用内环电流控制器补偿d、q轴的耦合项，得到差模电压指令值，结合锁相环输出的电网电压
相位信号，获得模块化多电平换流器触发脉冲，触发脉冲通过改变模块化多电平换流器每个子模块的工作状态，以直流侧储能电池为载体，在交流侧生成阶梯波电势为电网注入有功功率。
[0007] 在上述的使用电池储能的虚拟同步机中，虚拟同步控制器采用d轴虚拟同步控制器，用于根据当前电网的频率变化率，判断是否向电网注入d轴电流。
[0008] 在上述的使用电池储能的虚拟同步机中，锁相环采用两相静止坐标αβ的锁相环，用于避免暂态过程中产生过大的频率变化率，以实现虚拟同步机的有功特性；锁相环以电网三相坐标作为输入，对其进行α、β变换，所得的α、β轴电压分量分别通过一个以额定频率为中心频率的带通
滤波器，再使用反正切函数arctan得到参考相
角作为差模电压指令值。
[0009] 在上述的使用电池储能的虚拟同步机中，模块化多电平换流器在交流侧生成阶梯波电势，用以逼近交流系统的
正弦波电压，完成调制。
[0010] 本实用新型的有益效果：本实用新型的虚拟同步机能模拟出同步机的惯性和调速器特性，并网运行可以减小系统的暂态有功缺额，降低
频率偏差，有利于系统稳定。
附图说明
[0011] 图1是本实用新型一个
实施例使用电池储能的虚拟同步机整体控制
框图；
[0012] 图2是本实用新型一个实施例d轴电流虚拟同步控制器结构；
[0013] 图3是本实用新型一个实施例内环电流控制器结构；
[0014] 图4是本实用新型一个实施例锁相环结构；
[0015] 图5是本实用新型一个实施例在实时数字仿真器(RTDS)中所搭建的使用电池储能的虚拟同步机模型示意图，其中，A-等值交流系统，B-受控负载，C-使用电池储能的虚拟同步机。
具体实施方式
[0016] 下面结合附图对本实用新型的实施方式进行详细描述。
[0017] 本实施例一种使用电池储能的虚拟同步机，通过储能电池为系统提供动态频率
支撑，采用模块化多电平换流器(MMC)代替传统两电平电压源换流器(VSC)，使用虚拟同步控制器作为外环控制器，并使用了一种两相静止
坐标系(αβ坐标系)的锁相环，以适应虚拟同步机不同步常规电力电子设备的同步特性。
[0018] 本实施例通过以下技术方案来实现，一种使用电池储能的虚拟同步机，采用模块化多电平换流器(MMC)代替传统两电平电压源换流器(VSC)，并使用一种能提供虚拟惯量的d轴虚拟同步控制器为电力系统提供暂态频率支撑。同时，采用了一种两相静止坐标的锁相环以更好地适应虚拟同步控制对参考相位的要求。在电网没有受到扰动时，虚拟同步控制器不与电网交换有功功率，只提供无功与电压支撑。当电网频率发生
波动时，则通过储能电池体现出虚拟同步机的调频特性与功角特性，起到辅助调频、平抑振荡的作用。
[0019] 并且，虚拟同步控制器的调频功能需要通过与外部进行
能量转移实现，这使得虚拟同步控制器必须具备一定的能量存储能力，储能控制中最为重要的是控制储能电池的
荷电状态(Stste Of Charge，SOC)。由于虚拟同步控制器需提供动态频率支撑，但由于电网状态的不确定性，随着虚拟同步机运行时间增加，储能电池SOC有可能达到其运行限值，此时需要对其进行相应的控制，即通过虚拟同步控制器对储能电池进行充放电，控制SOC恢复至额定值，保证虚拟同步机具备继续支撑电网的能力。当虚拟同步机为负荷提供的有功大于等值交流系统为负荷提供的有功时，虚拟同步控制器直流侧储能电池电压下降，此时控制储能电池放电，直流侧电压抬升，反之亦然。
[0020] 并且，虚拟同步控制器使用同步机的典型二阶模型，同步机的惯量通过二阶
转子机械方程体现到电力系统中。为使MMC的有功输出模拟同步机特性，产生虚拟惯量，设计d轴电流虚拟同步控制器能根据当前系统的频率变化率，判断是否向系统注入d轴电流。
[0021] 并且，MMC的交流电流是通过阶梯波调制，在并网点生成相应的三相正弦电压来控制的。考虑到桥臂电抗器R0、L0的作用，d、q轴的电压、电流之间会相互耦合。因而，在通过虚拟同步控制器得到电流指令后，使用了相应的内环电流控制器，补偿d、q轴的耦合项，得到差模电压指令值，为阶梯波调制提供参考。
[0022] 同时，还设计了一种两相静止坐标(αβ坐标)的锁相环，可避免暂态过程的快速性导致很大的频率变化率(ROCOF)，以使虚拟同步机很好地模拟真实同步机的有功特性。
[0023] 本实施例虚拟同步机的工作流程如下：当电力系统频率发生变化，虚拟同步控制器能够响应这种变化，及时改变d轴电流注入量。在通过外环电流控制器得到电流指令后，使用相应的内环电流控制器，补偿d、q轴的耦合项，得到差模电压指令值。结合锁相环输出的电压同步相位信号，即可获得模块化多电平换流器触发脉冲。模块化多电平换流器触发脉冲通过改变每个子模块的工作状态，以直流侧储能电池为载体，在交流侧生成阶梯波电势，用以逼近交流系统的正弦波电压，完成调制过程，为系统注入有功功率。
[0024] 储能电池为电网提供动态频率支撑，通过虚拟同步控制器与电网之间进行能量传递；模块化多电平换流器作为电压源换流器，其交流电流通过阶梯波调制，在并网点生成相应的三相正弦电压进行控制；虚拟同步控制器为电网提供暂态频率支撑，作为外环控制辅助电网调频；内环电流控制器用于补偿d、q轴的耦合项，得到差模电压指令值，为阶梯波调制提供参考；锁相环以电网三相坐标作为输入，对其进行α、β变换，所得的α、β轴电压分量分别通过一个以额定频率为中心频率的
带通滤波器，再使用反正切函数arctan得到参考相角。锁相环用于实现虚拟同步机的同步性。
[0025] 如图1所示，由于储能电池通过虚拟同步控制器与电网之间进行能量传递，因此需要根据虚拟同步控制器与储能SOC之间关系，建立相应的虚拟同步控制器的控制策略。
[0026] 当虚拟同步控制器为负荷提供的有功大于等值交流系统为负荷提供的有功时，虚拟同步控制器直流侧储能电池电压下降，此时控制储能电池放电，直流侧电压抬升；当虚拟同步控制器为负荷提供的有功小于等值交流系统为负荷提供的有功时，虚拟同步控制器直流侧储能电池电压升高，此时控制储能电池充电，直流侧电压下降。
[0027] 如图2所示，根据同步机的典型二阶模型，同步机的惯量通过二阶转子机械方程体现到电力系统中。为使MMC的有功输出模拟同步机特性，产生虚拟惯量，设计d轴电流虚拟同步控制器能根据当前系统的频率变化率，判断是否向系统注入d轴电流。本实施例为了更好地分析虚拟同步机在有功-频率方面的特性，并摒除其他控制对此产生的影响，采取了定q轴电流控制，并将q轴电流指令值设为0。当系统的频率变化率为0时，虚拟同步机控制器不向系统注入d轴电流，相应地，其有功功率为0。当系统受到扰动时，频率发生变化，虚拟同步机控制器能够响应这种变化，及时改变d轴电流注入量，使用自己的虚拟惯量辅助电网调频。
[0028] 如图3所示，MMC的交流电流是通过阶梯波调制，在并网点生成相应的三相正弦电压来控制的。考虑到桥臂电抗器R0、L0的作用，d、q轴的电压、电流之间会相互耦合。因而，在通过虚拟同步控制器得到电流指令后，使用了相应的内环电流控制器，补偿d、q轴的耦合项，得到差模电压指令值，为阶梯波调制提供参考。
[0029] 如图4所示，本实施例还采用了一种基于两相静止坐标(αβ坐标)的锁相环，可避免暂态过程的快速性导致很大的ROCOF，以使本实施例虚拟同步机很好地模拟真实同步机的有功特性。锁相环以测量的电网三相坐标作为输入，对其进行αβ变换。所得的α、β轴电压分量分别通过一个以额定频率为中心频率的带通滤波器，再使用反正切函数(arctan)得到参考相角。由于带通滤波器的作用，该锁相环的输出不会迅速精确地
跟踪电网频率，而是在一个通频带内随电网频率的变化而摇摆。
[0030] 如图5所示，本实施例通过实时数字仿真器(RTDS)进行在RTDS中所搭建的模型包括：等值交流系统A，受控负载B和虚拟同步机模块C。等值交流系统A的机电特性额定容量为555MVA，额定频率为60Hz，惯性时间常数为H＝3.5MW.s/MWA。通过受控负载B的投入和切出，来模拟等值交流系统A受到的扰动，进而测试本实施例虚拟同步机的响应特性。
[0031] 其仿真结果表明：如果系统未接入虚拟同步机，当受控负载投入时，等值交流系统A需要为其提供额外有功功率。同时系统的频率下降，频率变化率(ROCOF)变大。
[0032] 如果系统接入了虚拟同步机，则虚拟同步机分担了本应由等值交流系统提供的有功功率，因而能减少系统的频率偏差。虚拟同步机还为系统带来了类似调速器的响应特性。无论是否考虑调速器，本实施例虚拟同步机都能减少系统的最大频率偏差。并且还降低了系统的频率变化率(ROCOF)，起到了稳定系统频率的作用。
[0033] 应当理解的是，本
说明书未详细阐述的部分均属于
现有技术。
[0034] 虽然以上结合附图描述了本实用新型的具体实施方式，但是本领域普通技术人员应当理解，这些仅是举例说明，可以对这些实施方式做出多种
变形或
修改，而不背离本实用新型的原理和实质。本实用新型的范围仅由所附
权利要求书限定。
