2. 内蒙古自治区电力系统智能化电网仿真企业重点实验室, 呼和浩特 010020
2. Inner Mongolia Enterprise Key Laboratory of Smart Grid Simulation of Electrical Power System, Hohhot 010020, China
近年来，新能源发电得到大力发展，已成为主要电源之一。截至2019年底，新能源接入内蒙古电网的规模已达26 330 MW，占总装机容量35.7%。由于新能源场站往往处于电网末端，所接入的电网架构相对薄弱[1]，大规模新能源的集中接入带来的电压问题比较突出，国家标准对接入电力系统的场站提出了无功输出和电压控制的技术要求[2]。新能源场站广泛采用静止无功补偿器（Static Var Compensation，SVC）和静止无功发生器（Static Var Gen erator，SVG）进行无功补偿和电压调节，由于SVG具有响应速度快、谐波性能好等诸多优点[3]，已成为新能源场站无功配置的最佳解决方案。同时，标准要求并网新能源机组满足低电压过渡及电网适应性等技术要求[2]，对于光伏逆变器，由于设备容量较小，可采用型式试验或现场试验进行检测；但SVG容量较大，受检测装置容量的限制，无法开展现场测试，只能通过仿真的方式进行。随着半实物仿真的兴起，控制器硬件在环开始应用于仿真检测。文献[4]应用RTDS平台搭建了6 kV SVG控制器的硬件在环平台，并开展了不同控制模式的试验。文献[5]在RTDS平台中搭建了SVG仿真模型，进行了复合式控制策略的研究和验证。文献[6]应用RTDS平台进行了SVG仿真模型的低电压过渡和频率偏移特性的考核测试。文献[7-8]采用分相封装及大小步长联合仿真的方法解决了节点局限的仿真问题，但在输出电流为10%额定电流时，模型输出电流谐波较大。RT-LAB是一套专门的实时仿真平台，基于Simulink平台开发模型，通过多核多处理器高效并行计算，目前广泛应用于新能源控制器的硬件在环实时仿真中。
本文以级联H桥SVG为研究对象，基于RT-LAB实时仿真平台，研究了级联SVG的建模方法，并搭建了硬件在环仿真模型，利用模型开展了SVG电压、频率适应性仿真测试。
1 级联H桥SVG介绍 1.1 级联H桥SVG结构星接级联H桥SVG每个桥臂由N个级联单位组成，每个级联单元为一个全桥电路和电容结构，如图 1所示。其工作原理与普通SVG原理类似，通过控制调节输出电压的相位和幅值或直接控制装置的输出电流来实现无功功率补偿[8]。
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| 图 1 H桥级联SVG主电路结构 |
载波移相正弦脉宽调制技术（CPS-SPWM）是指各级联单元具有相同调制比和调制度的正弦调制信号，三角载波信号相位角依次相差固定值θ，利用SPWM技术中的波形生成方式和多重化技术中的波形叠加原理产生载波移相的SPWM波形。载波移相根据移相角度不同，分为双极性调制和单极倍频调制，其中，双极性调制移动360°/N，单极倍频调制移动180°/N。通过载波移相技术，使得各H桥输出电平叠加，若直流侧电压为E，N为偶数，则双极性调制可使电平数目最大达到N+1，其等效开关频率提高了N倍，单极性调制最大电平数达到2N+1，等效开关频率提高了2N倍[9-10]，峰值电压最大值达NE[11]。这种调试方式可以将每个模块较低的开关频率组合成较高的等效开关频率，同时降低器件的耐压水平，减小谐波输出含量[12]。
2 SVG硬件在环模型基于RT-LAB的SVG仿真建模是将SVG控制器接入仿真平台中，仿真系统结构如图 2所示。电网及主电路部分通过数字模型进行模拟，模型通过仿真器实时运行，控制器与仿真器间通过I/O板卡进行数据交互，其中，仿真器将电压、电流信号通过模拟量输出板卡AO直接传输给控制器，而SVG控制器输出的直流母线电容电压、H桥驱动信号是通过协议传输的，RT-LAB的I/O板卡只能接收电信号，因此需要进行光电转换才可以接入仿真器，最后通过SVG操作界面进行并网操作，交互数据见表 1。通过在数字模型中模拟电力系统的故障、电压波动、频率扰动等复杂运行工况，达到测试SVG控制器性能的目的。
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| 图 2 基于RT-LAB的SVG仿真结构示意图 |
| 表 1 仿真器与控制器交互数据 |
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SVG并网数字模型如图 3所示。RT-LAB软件提供了MMC-2P模块库，可单相桥臂等效，分相桥臂建模。将三相桥臂分别等效经电抗器、变压器并网，电网模型采用附加扰动装置的理想电压源，能够进行电压和频率的扰动。
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| 图 3 SVG电网适应性仿真主电路图 |
SVG参数如表 2所示。由于H桥模块数量较多，仿真器的I/O接口难以满足仿真需求，由于主电路由数字模型等效，无需考虑电力电子器件的耐受电压水平。通过改变控制器程序，将每相桥臂模块数量缩减为12个，减少对应的传输数据量，仿真步长设置为18 μs，实现SVG控制器的实时仿真。
| 表 2 SVG参数 |
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仿真模型搭建运行后，启动SVG，并设置为恒无功功率模式，无功功率设置为感性3 Mvar，通过等效能够完成SVG控制器的实时仿真，等效只改变模块数量，不改变控制策略，对控制器影响较小。因此，通过设置电网扰动装置，开展SVG控制器的电压适应性及频率适应性测试。
根据GB/T 34931—2017《光伏发电站无功补偿装置检测技术规程》[13]，并入光伏发电站的无功补偿装置应满足过欠压适应性和过欠频适应性要求，如表 3和表 4所示。
| 表 3 过欠压适应性要求 |
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| 表 4 过欠频适应性要求 |
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电网适应性包含高、低电压的故障测试，以高电压过渡为例，SVG并网正常运行后，通过电网扰动装置设置电压为1.21（p.u.），持续时间为0.5 s，记录SVG并网点电压、电流及无功功率变化情况。图 4为SVG并网点电压曲线，在0.25 s时刻SVG并网点电压升高，持续时间0.5 s。图 5为电流曲线，由于发生电压升高，SVG增大输出电流，以抑制电压升高。图 6为SVG输出无功特性曲线，初始状态无功输出为感性3 Mvar，发生故障后，无功输出增大至11 Mvar，以降低电压升高幅度。
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| 图 4 电压曲线（高电压过渡） |
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| 图 5 电流曲线（高电压过渡） |
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| 图 6 无功功率曲线（高电压过渡） |
图 7—图 9是SVG低电压过渡测试电压、电流及无功功率变化曲线。0.24 s时电压跌落为0.2（p.u.），故障期间SVG输出电流增大。故障前SVG输出感性无功功率3 Mvar，故障期间为支撑电网电压恢复，输出容性无功功率5 Mvar，故障消失后，电压、电流、无功功率恢复为故障前的稳定值。通过仿真可以看出，当并网点发生高、低电压过渡时，SVG能够在标准要求的时间内连续运行不脱网，满足标准对电压适应性的要求。
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| 图 7 电压曲线（低电压过渡） |
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| 图 8 电流曲线（低电压过渡） |
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| 图 9 无功功率曲线（低电压过渡） |
通过电网扰动装置设置频率扰动，SVG稳定运行后输出无功功率-3 Mvar。在0.57 s设置频率由50 Hz变化为49.5 Hz，记录SVG并网点电压、电流、频率及无功功率变化情况，如图 10—图 12所示。在频率扰动区间，电压由于直接连接电网，在幅值上变化较小，电流出现轻微扰动随后恢复。结合图 12可知，由于频率的变化，SVG无功功率出现扰动，随后恢复至初始值。通过仿真可以看出，当并网点发生频率扰动时，SVG能够在标准要求的时间内连续运行不脱网，满足标准对频率适应性的要求。
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| 图 10 频率扰动电压曲线 |
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| 图 11 频率扰动电流曲线 |
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| 图 12 频率及无功功率曲线 |
本文基于RT-LAB平台，搭建了SVG硬件在环平台，利用光电转换和模块简化等效的方式，解决了传输协议和硬件接口不足的问题。并应用模型开展了SVG电压适应性和频率适应性测试，测试结果验证了SVG的并网性能，为大容量无功补偿装置并网特性验证提供了有效的解决方案。
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