0 引言

光伏电站通常接入电网网架末端，电网电压水平较薄弱，为了保证电网的安全稳定运行，需要分析光伏发电无功控制性能对电网的影响^[1]。光伏无功控制性能现场试验适合针对光伏逆变器或单个光伏发电站，大规模光伏接入电网的无功性能评估和电压优化研究则只能通过仿真分析方法进行，因此建立准确的光伏模型是开展大规模光伏并网仿真分析的基础，能够为光伏发电暂态特性评估、光伏发电接入系统分析、辅助运行控制决策提供基础模型和参数支撑，对于光伏发电并网和提升电网安全稳定运行水平具有重要意义。本文提出一种基于光伏逆变器和动态无功补偿装置（SVG）动态链接库模型的光伏电站无功控制仿真分析方法，通过光伏逆变器、SVG模型的仿真测试数据和现场测试数据的一致性分析，对模型准确性进行验证和评估，并对光伏电站精确建模，分析并网无功控制能力。

1 仿真建模及一致性分析 1.1 单机仿真建模

单机仿真建模采用动态链接库的建模方式。动态链接库是一个可被其他应用程序共享的程序模块，其中封装了可以被共享的例程和资源，其连接方式是动态的^[2]。模型中引入一种MEX（MATLAB Executable）文件，该文件为动态链接库程序文件，在MATLAB程序中可按照M函数来执行^[3]。在模型中，动态链接库模块充当控制器，与主电路进行信息交互，主电路中采集的电压、电流信息传递给动态链接库模块，经内部程序代码处理后，模块输出控制信号作用于主电路，完成整个模型的闭环控制。

光伏发电主电路模型包括光伏组件、逆变电路、滤波器及电网部分。光伏组件采用受控电流源等效，通过光伏阵列的计算公式得出电流源大小，经boost电路、逆变器并网。控制器模型利用动态链接库文件等效，采集相应的电压、电流信号，得出控制信号作用于逆变器主电路。

SVG建模基于MATLAB/simulink进行，SVG为H桥级联结构，星形接法。由于SVG的桥臂模块数量较多，对其进行等效，每相为12个模块，每个模块由一个全桥和电容组成。SVG可工作在恒电压模式、恒无功模式及恒功率因数模式等模式下，通过设置不同的控制指标调节电网的无功功率平衡。SVG控制器模型与现场软件版本一致。

1.2 一致性评估方法

目前，国标体系中暂无光伏发电电磁暂态模型验证及参数测试的标准，考虑到无功性能的评估在机电暂态时间范围内即可实现，光伏逆变器和SVG模型无功性能一致性参照GB/T 32892—2016 《光伏发电系统模型及参数测试规程》进行。

1.2.1 无功控制区间划分原则

在进行仿真和实测数据偏差计算前，应根据测试数据对无功控制过程进行区段划分，以满足对不同稳态和暂态变化过程的偏差计算。将无功控制过程分为三段数据序列：控制指令阶跃前2 s的A时段稳态区间、控制指令阶跃开始后的B时段暂态区间、控制指令阶跃完成后的C时段稳态区间^[4]。

1.2.2 无功偏差计算及一致性评价标准

通过计算无功现场测试和仿真测试数据之间的偏差，考核仿真模型和现场设备控制性能的一致性。控制过程分段后，分别计算每个时段暂态和稳态区间的偏差；各时段暂态区间仅计算平均偏差，稳态区间计算平均偏差和最大偏差。各项偏差值若不大于表 1中的最大允许值，则认为仿真和现场测试性能具有一致性。

2 仿真测试及评估 2.1 光伏逆变器测试一致性分析 2.1.1 无功容量测试

光伏电站使用的40 kW逆变器无功输出功率因数调节范围为超前0.95~滞后0.95，即无功功率输出满足12.4 ~-12.4 kvar范围内连续调节。现场测试光伏逆变器无功输出容量，同时对仿真模型无功输出容量进行测试，测试数据对比如表 2所示。

2.1.2 无功控制测试

控制光伏逆变器输出有功功率稳定至50%P_n运行，控制光伏逆变器先输出最大容性无功12.4 kvar，运行稳定后跳转至感性无功12.4 kvar，再次运行稳定后恢复初始状态。现场测试光伏逆变器无功控制能力，同时对仿真模型无功控制能力进行测试，数据如图 1所示。经对比，现场测试和仿真数据的各区间偏差均满足要求。

2.1.3 动态无功响应能力测试

控制光伏逆变器出口电压跌落至20%U_n（U_n为额定电压），仿真测试逆变器动态无功响应，并与光伏逆变器出厂低电压过渡试验结果进行比较。

在逆变器出口电压跌落至20%U_n时，仿真模型的动态无功响应时间约为11 ms，无功输出稳态值约0.27（p.u.），出厂低电压过渡试验的动态无功响应时间约13 ms，无功输出稳态值约0.29（p.u.）（见图 2），仿真模型与设备一致性满足相关标准要求。

2.2 SVG测试一致性分析 2.2.1 无功容量测试

SVG无功输出能力为15~-15 Mvar范围内调节，现场测试SVG无功控制能力，同时对仿真模型无功控制能力进行测试，数据对比如图 3所示。

2.2.2 无功控制测试

控制SVG先输出最大容性无功功率15 Mvar，运行稳定后跳转至感性无功15 Mvar，现场测试SVG无功控制能力，同时对仿真模型无功控制能力进行测试，数据对比如图 4所示。

2.2.3 动态无功响应能力测试

控制SVG出口电压跌落至20%U_n，仿真测试SVG动态无功响应，并与SVG实物控制器低电压过渡试验结果进行比较（见图 5）。

通过数据分析，在SVG出口电压跌至20%U_n时，仿真模型的动态无功响应时间为11 ms，无功输出稳态值约0.21（p.u.），出厂低电压过渡试验的动态无功响应时间约12 ms，无功输出稳态值约0.25（p.u.），仿真模型与设备一致性满足相关标准要求。

3 光伏电站无功性能仿真建模及测试评估 3.1 光伏电站仿真建模

依托与现场无功性能外特性一致的光伏逆变器和SVG的精确电磁暂态模型，对光伏电站进行精确的电磁暂态建模，以实现光伏电站整站并网无功性能的仿真测试和评估。研究对象为内蒙古地区某135 MW光伏电站，一期装机容量100 MW，以6回35 kV集电线路接入1号110 kV升压变压器，二期装机容量为35 MW，以2回35 kV集电线路接入2号110 kV升压变压器，2台变压器升压到110 kV，通过一回线路送至上级变电站110 kV侧。光伏电站采用40 kW组串式逆变器，无功补偿装置为1台SVG，容量为±15 Mvar，光伏电站主接线图见图 6。

由于仿真规模和仿真工具的限制，需对电网进行等值处理。通过BPA/SCCP工具进行电网等值，将需要仿真的系统作为内部系统不作改动，其余部分等效为电压源与阻抗串联或电流源与阻抗并联的形式，等值网络与原网络在潮流及动态特性上基本保持一致^[5]。将光伏电站的上级变电站作为内部系统进行等值处理，对外部电网进行等值简化，形成电压源与等值阻抗。

光伏电站采用聚合等效的方式，将每一条集电线路以单一逆变器进行等效，光伏单元等效为电流源，计及线路中的电抗和电容值，在满功率情况下，计算线路中电阻、电容、电抗产生的视在功率，并折算成相应的阻抗值，形成“光伏逆变器+等效阻抗”模型（见图 7），保证光伏电站中功率的有效性。

单一光伏发电单元等效为“电流源+变压器阻抗+线路阻抗”形式，光伏单元等效为电流源，光伏单元输出采用倍乘的方式，即：

(1)

式中：n表示发电单元数量。

并网点n个发电单元的视在功率为：

(2)

等效后的视在功率为：

(3)

按照等效前后的功率不变原则，计算等效阻抗值，保证并网点功率不变^[6]。同时利用上述方法将其余集电线路依次搭建，经变压器并入主网形成整个电站模型。

3.2 光伏电站无功性能仿真测试

按照单个逆变器实际无功输出能力计算，全站135 MW逆变器满足41.85~-41.85 Mvar的无功调节，SVG满足15~-15 Mvar的无功调节，光伏电站整站满足56.85~-56.85 Mvar的无功调节。

在仿真环境中对光伏电站整站进行无功性能测试评估。

3.2.1 无功输出容量仿真测试评估

在仿真系统中，以10% P_h为区间，对不同有功功率下的电站并网点的无功输出容量进行仿真测试，测试结果如表 3所示。

3.2.2 无功控制能力仿真测试评估

在仿真系统中，控制光伏电站按照50%P_n运行，调节无功先输出最大容性无功56.85 Mvar，运行稳定后跳转至最大感性无功56.85 Mvar，运行稳定后恢复初始状态，仿真测试无功控制响应时间和精度如图 8和表 4所示。

3.2.3 无功动态响应能力仿真测试评估

对光伏电站并网点进行20%低电压过渡测试，同时仿真测试无功动态响应能力，结果如图 9所示，光伏电站并网点无功动态响应能力为18 ms。

3.2.4 恒电压和恒功率因数运行测试

恒电压运行测试时，设置并网点电压从36 kV变为35 kV，光伏电站并网点无功变化曲线见图 10，无功响应时间为43.1 ms。在恒功率因数运行模式下测试时，设置功率因数从0.88变为1，光伏电站并网点无功变化曲线见图 11，无功响应时间440 ms。

4 结束语

本文提出的基于光伏逆变器和动态无功补偿装置（SVG）动态链接库模型的光伏电站无功控制仿真分析方法，能够对模型准确性进行验证和评估，并对光伏电站精确建模，分析并网无功控制能力，可为新能源场站无功性能评估、控制策略检验及电压优化运行提供指导依据，保障了新能源并网的安全稳定运行。