光伏并网逆变器低电压穿越技术研究附Simulink仿真

原创于 2025-12-05 21:17:57 发布 · 351 阅读

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🔥 内容介绍

在高比例光伏渗透的新型电力系统中，电网故障引发的电压跌落时有发生。光伏并网逆变器作为光伏电站与电网连接的核心设备，其低电压穿越（LVRT）能力直接决定电网故障期间的新能源发电连续性 —— 若 LVRT 性能不足，大量逆变器脱网将加剧电网功率失衡，甚至引发连锁故障。本文系统剖析 LVRT 的技术要求、失效机理与关键影响因素，提出涵盖控制策略、硬件拓扑与协调机制的优化方案，并结合实证案例验证技术有效性。

一、光伏并网逆变器低电压穿越的核心要求与技术边界

低电压穿越特指光伏并网逆变器在电网电压跌落至规定范围时，保持并网运行并按要求提供无功支撑，待电压恢复后平稳过渡至正常运行状态的能力。其技术要求需同时满足国际标准与电网调度需求，核心边界条件明确。

（一）国内外核心标准要求

不同国家与地区基于电网强度差异，制定了差异化的 LVRT 标准，但其核心逻辑均围绕 “电压跌落深度 - 持续时间” 曲线与无功支撑义务展开

以中国 GB/T 19964-2012 为例，明确要求光伏电站在电压跌落至 0% 时，逆变器需保持并网至少 150ms；当电压跌落至 10%-90% 额定电压时，持续并网时间需随电压跌落深度增加而延长，且故障期间需按 “电压跌落深度越大，无功注入越多” 的原则提供支撑，避免电压进一步恶化。

（二）LVRT 的技术边界与关键指标

光伏逆变器实现 LVRT 需突破三大技术边界：直流侧电压稳定控制、交流侧无功支撑精度与故障结束后的平滑过渡，核心评价指标包括：

电压跌落响应时间：从电网电压跌落发生至逆变器启动 LVRT 控制的时间，需≤20ms（满足电网快速支撑需求）；

直流母线电压波动范围：故障期间直流电压需控制在额定值的 ±15% 以内，避免电容过压损坏或欠压导致的功率中断；

无功电流注入精度：实际注入无功电流与标准要求值的偏差需≤5%，确保支撑效果符合电网调度预期；

脱网率：在标准规定的 LVRT 范围内，逆变器脱网率需≤0.1%，保障电站整体稳定性。

二、光伏并网逆变器 LVRT 失效机理与关键影响因素

光伏逆变器在低电压穿越过程中，易因直流侧功率盈余、交流侧控制失配或硬件拓扑限制导致失效，其核心矛盾在于 “故障期间功率平衡破坏” 与 “控制响应滞后” 的叠加。

（一）核心失效机理

直流侧功率盈余与电压抬升

电网电压跌落时，逆变器交流侧输出功率瞬时下降，而光伏阵列仍持续产生直流功率，导致直流侧功率盈余。若未能及时消耗盈余功率，直流母线电压将快速抬升 —— 当电压超过电容耐压值（通常为额定值的 1.2 倍）时，逆变器将触发过压保护脱网。例如，某 1500V 组串逆变器在电压跌落至 30% 时，因直流侧卸荷电路响应延迟，30ms 内直流电压从 1500V 飙升至 1850V，触发保护停机。

交流侧电流控制失稳

电压跌落期间，电网阻抗特性突变，逆变器输出电流易出现畸变或振荡：一方面，电压跌落导致电流环参考值骤变，若 PR 控制器参数未适配故障工况，将引发电流超调（超调量超过额定值的 120% 时触发过流保护）；另一方面，弱电网环境下（SCR≤2），逆变器输出阻抗与电网阻抗交互，易激发 200-500Hz 的电流振荡，进一步加剧控制失稳。

锁相环（PLL）失步

电压跌落常伴随电压相位突变与谐波含量增加，传统 PI 型 PLL 难以快速跟踪电网相位，导致锁相偏差超过 5°，进而使逆变器输出电流与电网电压相位错位 —— 不仅无法有效注入无功支撑，还可能产生负序电流，加重电网负担。某实证测试显示，在电压跌落至 0% 后恢复阶段，传统 PLL 的锁相恢复时间长达 80ms，远超标准要求的 30ms。

（二）关键影响因素

电网侧因素

电压跌落特性：跌落深度（0%-90%）、跌落持续时间（50ms-500ms）与恢复速率（≤10% 额定电压 /ms）直接决定 LVRT 控制难度，深度长时跌落（如 0% 电压持续 150ms）对直流侧卸荷能力要求更高；

电网阻抗与谐波：弱电网（SCR≤1.5）与高谐波背景（THD≥5%）会放大电流控制失稳风险，例如某分布式电站在电压跌落至 50% 时，因配电网谐波含量达 8%，导致逆变器电流畸变率超过 15%，触发保护。

设备侧因素

硬件拓扑限制：传统两电平逆变器的直流卸荷电路多采用电阻并联方式，卸荷功率有限（通常≤20% 额定功率），难以应对深度跌落时的功率盈余；而三电平逆变器虽通过 NPC 结构提升了电压耐受能力，但复杂拓扑增加了控制延迟；

控制参数适配性：电流环 PR 控制器的谐振增益、PLL 的 PI 参数若仅针对正常工况优化，在故障工况下易出现响应滞后 —— 例如，正常工况下 PR 控制器谐振增益设为 20dB 时，电压跌落期间电流超调量可达 30%。

运行工况因素

光伏出力水平：高出力工况（≥80% 额定功率）下，直流侧功率盈余更大，LVRT 期间直流电压控制难度显著增加；而低出力工况（≤20% 额定功率）下，逆变器无功注入能力不足（需满足 Q≥2% S_N），难以支撑电网电压恢复；

温度与老化：高温环境（≥45℃）会导致 IGBT 开关损耗增加，开关频率被迫降低（从 16kHz 降至 10kHz），控制响应速度变慢；同时，电容老化会使直流侧电压波动幅度扩大，降低 LVRT 冗余度。

三、光伏并网逆变器 LVRT 技术优化方案

针对 LVRT 失效机理，需从直流侧功率平衡控制、交流侧电流与锁相优化、硬件拓扑升级三个维度构建技术体系，核心思路是 “主动消耗盈余功率 + 精准控制无功注入 + 增强故障适应性”。

（一）直流侧功率平衡优化技术

多模态卸荷电路拓扑

采用 “电阻卸荷 + 超级电容储能” 混合拓扑：电压跌落初期（0-50ms），通过 IGBT 控制电阻快速消耗盈余功率（卸荷功率可达 50% 额定功率），避免直流电压骤升；中期（50-150ms），切换至超级电容储能模式，减少能量损耗的同时，为电压恢复阶段储备能量。阳光电源在 1500V 逆变器中应用该技术后，直流电压波动范围从 ±20% 缩小至 ±8%，满足 LVRT 要求。

光伏阵列主动降额控制

通过快速调节光伏阵列的 MPPT 工作点，降低输出功率：在电压跌落发生后，逆变器向汇流箱发送降额指令，通过调整 Boost 电路占空比，使光伏阵列输出功率从额定值的 100% 降至 50%-70%，匹配交流侧输出能力。该技术可减少 30% 的直流侧功率盈余，尤其适用于高出力工况 —— 某 100MW 光伏电站测试显示，采用该技术后，LVRT 期间直流电压超调量从 25% 降至 8%。

（二）交流侧控制策略优化

自适应 PR 电流控制

基于电网电压跌落深度动态调整 PR 控制器参数：当电压跌落深度≤50% 时，增大谐振增益（从 20dB 提升至 30dB）以加快电流响应速度；当跌落深度＞50% 时，引入阻尼项抑制电流振荡，同时限制电流峰值为额定值的 1.1 倍，避免过流保护。仿真验证表明，该策略可使电流超调量从 30% 降至 8%，响应时间缩短至 15ms。

增强型锁相环技术

采用 “SOGI-PLL + 相位预判” 复合结构：通过二阶广义积分器（SOGI）滤除电压跌落期间的谐波分量（THD 从 8% 降至 2% 以下），同时基于历史相位数据建立预判模型，在电压恢复阶段提前修正相位偏差，使锁相恢复时间从 80ms 缩短至 25ms。华为 FusionSolar 逆变器应用该技术后，在电压跌落至 0% 恢复时，锁相偏差始终控制在 2° 以内，满足无功注入精度要求。

无功电流分级注入策略

按电压跌落深度分三档注入无功电流：

跌落深度 20%-50%：注入 Q=2×(0.9-U)/U_N × S_N（基础支撑）；

跌落深度 50%-80%：注入 Q=2.5×(0.9-U)/U_N × S_N（增强支撑）；

跌落深度＞80%：注入 Q=3×(0.9-U)/U_N × S_N（紧急支撑）。

该策略在山东某光伏电站实证中，使电压恢复速度提升 40%，避免了电网电压二次跌落。

（三）硬件拓扑与系统协调升级

三电平 NPC 逆变器拓扑

相较于传统两电平拓扑，三电平 NPC 逆变器通过增加钳位二极管，使 IGBT 承受电压从 1500V 降至 750V，提升电压耐受冗余；同时，其输出电压谐波含量降低 50%，减少 LVRT 期间的电流畸变 —— 某测试显示，三电平逆变器在电压跌落至 0% 时，电流畸变率从 15% 降至 5%，满足 GB/T 19964 要求。

逆变器 - 电网协同控制

建立逆变器与电网调度的实时通信机制：故障发生前，电网调度提前向逆变器发送电压跌落预警（基于故障预测系统），逆变器预调整控制参数；故障期间，逆变器实时上传无功注入量与直流电压状态，调度中心根据全网情况协调多电站无功分配，避免无功功率叠加导致的电压过冲。该协同机制在甘肃酒泉风电光伏基地应用后，LVRT 期间全网电压波动范围缩小至 ±10%。

四、结论与未来展望

光伏并网逆变器低电压穿越技术的核心是解决 “故障期间功率平衡” 与 “精准控制响应” 的矛盾，通过直流侧卸荷优化、交流侧控制升级与系统协同，可有效提升 LVRT 性能，满足高比例光伏并网的电网安全需求。当前技术已能应对 SCR≥1.5、电压跌落至 0% 持续 150ms 的典型场景，但仍面临极端弱网（SCR＜1.5）、长时跌落（＞500ms）等挑战。

未来研究可向三个方向深化：