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摘要：提出储能虚拟同步机系统总体设计方案，进行了升压变压器、功率变流器、储能系统和控制系统方案的设计。重点介绍了功率变流器、储能系统以及控制系统方案等设计内容。本工程将建设一个能够模拟同步发电机的运行机理、有功调频以及无功调压等特性的分布式电源，促进风电、光伏发电上网的稳定性、安全性，改善分布式系统的稳定性。
关键词：虚拟同步机；储能；方案设计
1 虚拟同步机技术在电力系统中的意义
随着大规模的风能、太阳能接入电网，电力系统正从以传统旋转电机为主转向以新型电力电子设备为主的复杂巨系统。由于新能源具有间歇性及不可控性，且新能源电站并网发电控制多采用电力电子并网逆变器模式，该模式并未体现常规电力系统固有的惯性及调频调压控制特性，这使得电网稳定性问题越发严峻。
在电力系统接入相量测量单元PMU可以实时在线监测系统的运行情况，及时做出控制反应，从而增加电网运行的安全性。但这只是一种被动的解决办法，不能彻底解决电力系统的稳定性问题。随着分布式电源渗透率的不断增加，未来的电力系统将由集中式的大电厂供电转向分布式的小规模发电。因此，迫切寻求一种有效途径使得分布式电源能够主动参与系统调节，自动维护电力系统的稳定。
在常规的电力系统中，系统频率、电压的动态特性与发电机转动惯量及系统调频调压控制有关。而在基于电力电子逆变器并网的分布式发电系统中，若借助配备的储能环节，并采用适当的并网逆变器控制算法，使基于并网逆变器的分布式电源从外特性上模拟或部分模拟出同步发电机的频率及电压控制特性，从而改善分布式系统的稳定性，这就是所谓的虚拟同步发电机控制。
虚拟同步机技术使得并网逆变器能够模拟同步发电机的运行机理、有功调频以及无功调压等特性，使并网逆变器从内部运行机制和外部运行特性上可与传统同步发电机相似，能够促进风电、光伏发电上网的稳定性、安全性，防止脱网。
储能虚拟同步发电机主要用于大规模新能源的集中式并网，可使大规模风电厂、光伏电厂具备同步发电机的惯量调频调压特性。本文拟建设储能虚拟同步发电机工程容量5MW/5MWx0.5h，进行虚拟同步机系统，控制管理系统的研究和设计，完成储能虚拟同步机系统接入工程总体技术方案，为实现储能虚拟同步机并网提供技术指导。
2系统总体设计方案
储能虚拟同步发电机系统主要包括三个部分：电池储能环节、功率变流器环节和变压器升压环节。储能电池产生的直流电力经功率变流器逆变为交流电后，通过升压变压器连接至新能源电站的35kV母线，与新能源电站协同运行，使得整个新能源电站具有同步发电机外特性。
3系统设备选型
3.1储能电池
经调研，截至2016年底，中国共有60个电网储能电池工程。所有60个工程中有50个采用锂电池技术，占据绝对主导地位，其中有45个（占比90%）工程采用的是磷酸铁锂技术。在美国和日本，锂电池也是最广泛采用的电网储能电池技术，份额均在50%左右。不同电芯材料，主要性能如表1所示。
综合比较各种储能电池在新能源分布式发电领域的应用特点，磷酸铁锂电池在功率配比、循环使用寿命、使用费用等各个方面，均比较适合本项目的设计要求，因此，设计方案采用磷酸铁锂电池。
3.2 功率变流器
功率变流器系统采用两级拓扑结构，前级采用DC/DC变换与电池连接，后级采用DC/AC变换与升压变压器相连，通过35kV升压变压器接入35kV电网。设备由5个功率单元构成，5个功率单元交流侧并联接入35kV升压变压器。
3.3 升压变压器
结合储能虚拟同步发电机解决方案，需对5MW/35kV升压变压器进行技术调研。针对油浸式升压变和干式升压变进行调研，与油浸式相比，干式变压器体积相当；价格略高50%。从节约造价成本的角度，本工程选用油浸式变压器。
4储能虚拟同步机控制系统方案
控制系统中包括：功率单元控制器、通信网关交换机、电池管理系统。控制系统具有：有功功率调度控制、无功功率调度控制、惯性阻尼、自主有功调频、自主无功调压以及远程控制功能。
（1）功率单元控制器
功率单元模块控制包括有功无功控制、频率下垂和交流电压下垂控制、频率惯性控制、蓄电池充放电控制、直流母线电压控制。
通信接口：具备RS485接口读取电池组BMS信息中变流器控制相关信息。与中央控制器通过光纤进行通信交互，接受中央控制器遥调控制，上传功率单元相关信息至后台显示。
（2）中央控制器
通信：负责与人机界面、网关交换机、模块控制器通信。
功率单元间协调控制：采集电网电压进行一次调频有功率指令计算、无功调压指令计算、蓄电池均流指令控制计算下发至功率单元控制器进行功率单元间的协调控制。
（3）电池管理系统
电池管理系统将与变流器控制相关的电池信息通过RS485接口传递至功率单元控制器，同时又通过以太网将电池信息传递至网关。
（4）网关交换机
通信接口： 通过RS485与中央控制器连接， 通过RS485和以太网与电池管理系统连接，通过以太网与本地后台、远程后台通信；
通信协议：RS485接口采用MODBUS、对后台以太网规约具备104和MODBUS。
5 结束语
本文提出的设计方案将建设一个具有同步发电机特性的实际运行系统示范工程；能够真正实现储能系统友好接入电网，实现与电网并网协调运行，参与电网一次调频、二次调频以及无功调度：可体现储能系统智能协调工作，凸显虚拟同步机调度控制的效果。
参考文献：
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论文作者:于童
论文发表刊物:《电力设备》2017年第9期
论文发表时间:2017/8/2
标签：功率论文; 发电机论文; 储能论文; 变流器论文; 电网论文; 系统论文; 分布式论文; 《电力设备》2017年第9期论文;