基于RT-LAB的SVG電網適應性仿真評估

王立強，曹 斌，叢 雨，辛東昊，王樂媛，劉 宇

（1.內蒙古電力科學研究院，呼和浩特 010020；2.內蒙古自治區電力系統智能化電網仿真企業重點實驗室，呼和浩特 010020）

0 引言

近年來，新能源發電得到大力發展，已成為主要電源之一。截至2019年底，新能源接入內蒙古電網的規模已達26 330 MW，占總裝機容量35.7%。由于新能源場站往往處于電網末端，所接入的電網架構相對薄弱[1]，大規模新能源的集中接入帶來的電壓問題比較突出，國家標準對接入電力系統的場站提出了無功輸出和電壓控制的技術要求[2]。新能源場站廣泛采用靜止無功補償器（Static Var Com?pensation，SVC）和靜止無功發生器（Static Var Gen?erator，SVG）進行無功補償和電壓調節，由于SVG具有響應速度快、諧波性能好等諸多優點[3]，已成為新能源場站無功配置的最佳解決方案。同時，標準要求并網新能源機組滿足低電壓過渡及電網適應性等技術要求[2]，對于光伏逆變器，由于設備容量較小，可采用型式試驗或現場試驗進行檢測；但SVG容量較大，受檢測裝置容量的限制，無法開展現場測試，只能通過仿真的方式進行。隨著半實物仿真的興起，控制器硬件在環開始應用于仿真檢測。文獻[4]應用RTDS平臺搭建了6 kV SVG控制器的硬件在環平臺，并開展了不同控制模式的試驗。文獻[5]在RTDS平臺中搭建了SVG仿真模型，進行了復合式控制策略的研究和驗證。文獻[6]應用RTDS平臺進行了SVG仿真模型的低電壓過渡和頻率偏移特性的考核測試。文獻[7-8]采用分相封裝及大小步長聯合仿真的方法解決了節點局限的仿真問題，但在輸出電流為10%額定電流時，模型輸出電流諧波較大。RT-LAB是一套專門的實時仿真平臺，基于Simulink平臺開發模型，通過多核多處理器高效并行計算，目前廣泛應用于新能源控制器的硬件在環實時仿真中。

本文以級聯H橋SVG為研究對象，基于RT-LAB實時仿真平臺，研究了級聯SVG的建模方法，并搭建了硬件在環仿真模型，利用模型開展了SVG電壓、頻率適應性仿真測試。

1 級聯H橋SVG介紹

1.1 級聯H橋SVG結構

星接級聯H橋SVG每個橋臂由N個級聯單位組成，每個級聯單元為一個全橋電路和電容結構，如圖1所示。其工作原理與普通SVG原理類似，通過控制調節輸出電壓的相位和幅值或直接控制裝置的輸出電流來實現無功功率補償[8]。

圖1 H橋級聯SVG主電路結構

1.2 載波移相正弦脈寬調制技術

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

2 SVG硬件在環模型

基于RT-LAB的SVG仿真建模是將SVG控制器接入仿真平臺中，仿真系統結構如圖2所示。電網及主電路部分通過數字模型進行模擬，模型通過仿真器實時運行，控制器與仿真器間通過I/O板卡進行數據交互，其中，仿真器將電壓、電流信號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橋驅動信號是通過協議傳輸的，RT-LAB的I/O板卡只能接收電信號，因此需要進行光電轉換才可以接入仿真器，最后通過SVG操作界面進行并網操作，交互數據見表1。通過在數字模型中模擬電力系統的故障、電壓波動、頻率擾動等復雜運行工況，達到測試SVG控制器性能的目的。

圖2 基于RT-LAB的SVG仿真結構示意圖

表1 仿真器與控制器交互數據

圖3 SVG電網適應性仿真主電路圖

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

SVG參數如表2所示。由于H橋模塊數量較多，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，將每相橋臂模塊數量縮減為12個，減少對應的傳輸數據量，仿真步長設置為18μs，實現SVG控制器的實時仿真。

表2 SVG參數

3 SVG控制器性能測試

仿真模型搭建運行后，啟動SVG，并設置為恒無功功率模式，無功功率設置為感性3 Mvar，通過等效能夠完成SVG控制器的實時仿真，等效只改變模塊數量，不改變控制策略，對控制器影響較小。因此，通過設置電網擾動裝置，開展SVG控制器的電壓適應性及頻率適應性測試。

根據GB/T 34931—2017《光伏發電站無功補償裝置檢測技術規程》[13]，并入光伏發電站的無功補償裝置應滿足過欠壓適應性和過欠頻適應性要求，如表3和表4所示。

表3 過欠壓適應性要求

表4 過欠頻適應性要求

3.1 電壓適應性

電網適應性包含高、低電壓的故障測試，以高電壓過渡為例，SVG并網正常運行后，通過電網擾動裝置設置電壓為1.21（p.u.），持續時間為0.5 s，記錄SVG并網點電壓、電流及無功功率變化情況。圖4為SVG并網點電壓曲線，在0.25 s時刻SVG并網點電壓升高，持續時間0.5 s。圖5為電流曲線，由于發生電壓升高，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，初始狀態無功輸出為感性3 Mvar，發生故障后，無功輸出增大至11 Mvar，以降低電壓升高幅度。

圖7—圖9是SVG低電壓過渡測試電壓、電流及無功功率變化曲線。0.24 s時電壓跌落為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電壓恢復，輸出容性無功功率5 Mvar，故障消失后，電壓、電流、無功功率恢復為故障前的穩定值。通過仿真可以看出，當并網點發生高、低電壓過渡時，SVG能夠在標準要求的時間內連續運行不脫網，滿足標準對電壓適應性的要求。

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 頻率適應性

通過電網擾動裝置設置頻率擾動，SVG穩定運行后輸出無功功率-3 Mvar。在0.57 s設置頻率由50 Hz變化為49.5 Hz，記錄SVG并網點電壓、電流、頻率及無功功率變化情況，如圖10—圖12所示。在頻率擾動區間，電壓由于直接連接電網，在幅值上變化較小，電流出現輕微擾動隨后恢復。結合圖12可知，由于頻率的變化，SVG無功功率出現擾動，隨后恢復至初始值。通過仿真可以看出，當并網點發生頻率擾動時，SVG能夠在標準要求的時間內連續運行不脫網，滿足標準對頻率適應性的要求。

圖10 頻率擾動電壓曲線

圖11 頻率擾動電流曲線

圖12 頻率及無功功率曲線

4 結語

本文基于RT-LAB平臺，搭建了SVG硬件在環平臺，利用光電轉換和模塊簡化等效的方式，解決了傳輸協議和硬件接口不足的問題。并應用模型開展了SVG電壓適應性和頻率適應性測試，測試結果驗證了SVG的并網性能，為大容量無功補償裝置并網特性驗證提供了有效的解決方案。