王立強(qiáng)，曹 斌，叢 雨，辛東昊，王樂媛，劉 宇

（1.內(nèi)蒙古電力科學(xué)研究院，呼和浩特 010020；2.內(nèi)蒙古自治區(qū)電力系統(tǒng)智能化電網(wǎng)仿真企業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，呼和浩特 010020）

0 引言

近年來，新能源發(fā)電得到大力發(fā)展，已成為主要電源之一。截至2019年底，新能源接入內(nèi)蒙古電網(wǎng)的規(guī)模已達(dá)26 330 MW，占總裝機(jī)容量35.7%。由于新能源場(chǎng)站往往處于電網(wǎng)末端，所接入的電網(wǎng)架構(gòu)相對(duì)薄弱[1]，大規(guī)模新能源的集中接入帶來的電壓?jiǎn)栴}比較突出，國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)對(duì)接入電力系統(tǒng)的場(chǎng)站提出了無功輸出和電壓控制的技術(shù)要求[2]。新能源場(chǎng)站廣泛采用靜止無功補(bǔ)償器（Static Var Com?pensation，SVC）和靜止無功發(fā)生器（Static Var Gen?erator，SVG）進(jìn)行無功補(bǔ)償和電壓調(diào)節(jié)，由于SVG具有響應(yīng)速度快、諧波性能好等諸多優(yōu)點(diǎn)[3]，已成為新能源場(chǎng)站無功配置的最佳解決方案。同時(shí)，標(biāo)準(zhǔn)要求并網(wǎng)新能源機(jī)組滿足低電壓過渡及電網(wǎng)適應(yīng)性等技術(shù)要求[2]，對(duì)于光伏逆變器，由于設(shè)備容量較小，可采用型式試驗(yàn)或現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)進(jìn)行檢測(cè)；但SVG容量較大，受檢測(cè)裝置容量的限制，無法開展現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，只能通過仿真的方式進(jìn)行。隨著半實(shí)物仿真的興起，控制器硬件在環(huán)開始應(yīng)用于仿真檢測(cè)。文獻(xiàn)[4]應(yīng)用RTDS平臺(tái)搭建了6 kV SVG控制器的硬件在環(huán)平臺(tái)，并開展了不同控制模式的試驗(yàn)。文獻(xiàn)[5]在RTDS平臺(tái)中搭建了SVG仿真模型，進(jìn)行了復(fù)合式控制策略的研究和驗(yàn)證。文獻(xiàn)[6]應(yīng)用RTDS平臺(tái)進(jìn)行了SVG仿真模型的低電壓過渡和頻率偏移特性的考核測(cè)試。文獻(xiàn)[7-8]采用分相封裝及大小步長(zhǎng)聯(lián)合仿真的方法解決了節(jié)點(diǎn)局限的仿真問題，但在輸出電流為10%額定電流時(shí)，模型輸出電流諧波較大。RT-LAB是一套專門的實(shí)時(shí)仿真平臺(tái)，基于Simulink平臺(tái)開發(fā)模型，通過多核多處理器高效并行計(jì)算，目前廣泛應(yīng)用于新能源控制器的硬件在環(huán)實(shí)時(shí)仿真中。

本文以級(jí)聯(lián)H橋SVG為研究對(duì)象，基于RT-LAB實(shí)時(shí)仿真平臺(tái)，研究了級(jí)聯(lián)SVG的建模方法，并搭建了硬件在環(huán)仿真模型，利用模型開展了SVG電壓、頻率適應(yīng)性仿真測(cè)試。

1 級(jí)聯(lián)H橋SVG介紹

1.1 級(jí)聯(lián)H橋SVG結(jié)構(gòu)

星接級(jí)聯(lián)H橋SVG每個(gè)橋臂由N個(gè)級(jí)聯(lián)單位組成，每個(gè)級(jí)聯(lián)單元為一個(gè)全橋電路和電容結(jié)構(gòu)，如圖1所示。其工作原理與普通SVG原理類似，通過控制調(diào)節(jié)輸出電壓的相位和幅值或直接控制裝置的輸出電流來實(shí)現(xiàn)無功功率補(bǔ)償[8]。

圖1 H橋級(jí)聯(lián)SVG主電路結(jié)構(gòu)

1.2 載波移相正弦脈寬調(diào)制技術(shù)

載波移相正弦脈寬調(diào)制技術(shù)（CPS-SPWM）是指各級(jí)聯(lián)單元具有相同調(diào)制比和調(diào)制度的正弦調(diào)制信號(hào)，三角載波信號(hào)相位角依次相差固定值θ，利用SPWM技術(shù)中的波形生成方式和多重化技術(shù)中的波形疊加原理產(chǎn)生載波移相的SPWM波形。載波移相根據(jù)移相角度不同，分為雙極性調(diào)制和單極倍頻調(diào)制，其中，雙極性調(diào)制移動(dòng)360°/N，單極倍頻調(diào)制移動(dòng)180°/N。通過載波移相技術(shù)，使得各H橋輸出電平疊加，若直流側(cè)電壓為E，N為偶數(shù)，則雙極性調(diào)制可使電平數(shù)目最大達(dá)到N+1，其等效開關(guān)頻率提高了N倍，單極性調(diào)制最大電平數(shù)達(dá)到2N+1，等效開關(guān)頻率提高了2N倍[9-10]，峰值電壓最大值達(dá)NE[11]。這種調(diào)試方式可以將每個(gè)模塊較低的開關(guān)頻率組合成較高的等效開關(guān)頻率，同時(shí)降低器件的耐壓水平，減小諧波輸出含量[12]。

2 SVG硬件在環(huán)模型

基于RT-LAB的SVG仿真建模是將SVG控制器接入仿真平臺(tái)中，仿真系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。電網(wǎng)及主電路部分通過數(shù)字模型進(jìn)行模擬，模型通過仿真器實(shí)時(shí)運(yùn)行，控制器與仿真器間通過I/O板卡進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，其中，仿真器將電壓、電流信號(hào)通過模擬量輸出板卡AO直接傳輸給控制器，而SVG控制器輸出的直流母線電容電壓、H橋驅(qū)動(dòng)信號(hào)是通過協(xié)議傳輸?shù)模琑T-LAB的I/O板卡只能接收電信號(hào)，因此需要進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換才可以接入仿真器，最后通過SVG操作界面進(jìn)行并網(wǎng)操作，交互數(shù)據(jù)見表1。通過在數(shù)字模型中模擬電力系統(tǒng)的故障、電壓波動(dòng)、頻率擾動(dòng)等復(fù)雜運(yùn)行工況，達(dá)到測(cè)試SVG控制器性能的目的。

圖2 基于RT-LAB的SVG仿真結(jié)構(gòu)示意圖

表1 仿真器與控制器交互數(shù)據(jù)

圖3 SVG電網(wǎng)適應(yīng)性仿真主電路圖

SVG并網(wǎng)數(shù)字模型如圖3所示。RT-LAB軟件提供了MMC-2P模塊庫(kù)，可單相橋臂等效，分相橋臂建模。將三相橋臂分別等效經(jīng)電抗器、變壓器并網(wǎng)，電網(wǎng)模型采用附加擾動(dòng)裝置的理想電壓源，能夠進(jìn)行電壓和頻率的擾動(dòng)。

SVG參數(shù)如表2所示。由于H橋模塊數(shù)量較多，仿真器的I/O接口難以滿足仿真需求，由于主電路由數(shù)字模型等效，無需考慮電力電子器件的耐受電壓水平。通過改變控制器程序，將每相橋臂模塊數(shù)量縮減為12個(gè)，減少對(duì)應(yīng)的傳輸數(shù)據(jù)量，仿真步長(zhǎng)設(shè)置為18μs，實(shí)現(xiàn)SVG控制器的實(shí)時(shí)仿真。

表2 SVG參數(shù)

3 SVG控制器性能測(cè)試

仿真模型搭建運(yùn)行后，啟動(dòng)SVG，并設(shè)置為恒無功功率模式，無功功率設(shè)置為感性3 Mvar，通過等效能夠完成SVG控制器的實(shí)時(shí)仿真，等效只改變模塊數(shù)量，不改變控制策略，對(duì)控制器影響較小。因此，通過設(shè)置電網(wǎng)擾動(dòng)裝置，開展SVG控制器的電壓適應(yīng)性及頻率適應(yīng)性測(cè)試。

根據(jù)GB/T 34931—2017《光伏發(fā)電站無功補(bǔ)償裝置檢測(cè)技術(shù)規(guī)程》[13]，并入光伏發(fā)電站的無功補(bǔ)償裝置應(yīng)滿足過欠壓適應(yīng)性和過欠頻適應(yīng)性要求，如表3和表4所示。

表3 過欠壓適應(yīng)性要求

表4 過欠頻適應(yīng)性要求

3.1 電壓適應(yīng)性

電網(wǎng)適應(yīng)性包含高、低電壓的故障測(cè)試，以高電壓過渡為例，SVG并網(wǎng)正常運(yùn)行后，通過電網(wǎng)擾動(dòng)裝置設(shè)置電壓為1.21（p.u.），持續(xù)時(shí)間為0.5 s，記錄SVG并網(wǎng)點(diǎn)電壓、電流及無功功率變化情況。圖4為SVG并網(wǎng)點(diǎn)電壓曲線，在0.25 s時(shí)刻SVG并網(wǎng)點(diǎn)電壓升高，持續(xù)時(shí)間0.5 s。圖5為電流曲線，由于發(fā)生電壓升高，SVG增大輸出電流，以抑制電壓升高。圖6為SVG輸出無功特性曲線，初始狀態(tài)無功輸出為感性3 Mvar，發(fā)生故障后，無功輸出增大至11 Mvar，以降低電壓升高幅度。

圖7—圖9是SVG低電壓過渡測(cè)試電壓、電流及無功功率變化曲線。0.24 s時(shí)電壓跌落為0.2（p.u.），故障期間SVG輸出電流增大。故障前SVG輸出感性無功功率3 Mvar，故障期間為支撐電網(wǎng)電壓恢復(fù)，輸出容性無功功率5 Mvar，故障消失后，電壓、電流、無功功率恢復(fù)為故障前的穩(wěn)定值。通過仿真可以看出，當(dāng)并網(wǎng)點(diǎn)發(fā)生高、低電壓過渡時(shí)，SVG能夠在標(biāo)準(zhǔn)要求的時(shí)間內(nèi)連續(xù)運(yùn)行不脫網(wǎng)，滿足標(biāo)準(zhǔn)對(duì)電壓適應(yīng)性的要求。

圖4 電壓曲線（高電壓過渡）

圖5 電流曲線（高電壓過渡）

圖6 無功功率曲線（高電壓過渡）

圖7 電壓曲線（低電壓過渡）

圖8 電流曲線（低電壓過渡）

圖9 無功功率曲線（低電壓過渡）

3.2 頻率適應(yīng)性

通過電網(wǎng)擾動(dòng)裝置設(shè)置頻率擾動(dòng)，SVG穩(wěn)定運(yùn)行后輸出無功功率-3 Mvar。在0.57 s設(shè)置頻率由50 Hz變化為49.5 Hz，記錄SVG并網(wǎng)點(diǎn)電壓、電流、頻率及無功功率變化情況，如圖10—圖12所示。在頻率擾動(dòng)區(qū)間，電壓由于直接連接電網(wǎng)，在幅值上變化較小，電流出現(xiàn)輕微擾動(dòng)隨后恢復(fù)。結(jié)合圖12可知，由于頻率的變化，SVG無功功率出現(xiàn)擾動(dòng)，隨后恢復(fù)至初始值。通過仿真可以看出，當(dāng)并網(wǎng)點(diǎn)發(fā)生頻率擾動(dòng)時(shí)，SVG能夠在標(biāo)準(zhǔn)要求的時(shí)間內(nèi)連續(xù)運(yùn)行不脫網(wǎng)，滿足標(biāo)準(zhǔn)對(duì)頻率適應(yīng)性的要求。

圖10 頻率擾動(dòng)電壓曲線

圖11 頻率擾動(dòng)電流曲線

圖12 頻率及無功功率曲線

4 結(jié)語(yǔ)

本文基于RT-LAB平臺(tái)，搭建了SVG硬件在環(huán)平臺(tái)，利用光電轉(zhuǎn)換和模塊簡(jiǎn)化等效的方式，解決了傳輸協(xié)議和硬件接口不足的問題。并應(yīng)用模型開展了SVG電壓適應(yīng)性和頻率適應(yīng)性測(cè)試，測(cè)試結(jié)果驗(yàn)證了SVG的并網(wǎng)性能，為大容量無功補(bǔ)償裝置并網(wǎng)特性驗(yàn)證提供了有效的解決方案。