基于光伏逆变器的电压暂降补偿技术研究

摘要：光伏逆变器是光伏系统的重要组成部分，其主要功能是将光伏组件产生的直流电转换为交流电，并将其并入电网。然而，如何有效应对电压暂降问题，提升光伏系统的抗扰能力，成为了当前研究的热点之一。文章探讨了基于光伏逆变器的电压暂降补偿技术，分析了电压暂降的特性、补偿方法及其在光伏逆变器中的应用，提出了一种改进的补偿策略，并通过仿真与实验验证了该策略的有效性。研究表明，基于逆变器的电压暂降补偿技术能够有效改善电压暂降对光伏系统的影响，提高系统稳定性，具有较好的应用前景。

关键词：光伏逆变器；电压暂降；补偿技术；电力系统稳定性

电力系统中的电压暂降现象广泛存在，尤其是在大规模可再生能源接入电网的背景下，电压暂降对电网的稳定性和光伏发电系统的运行带来了显著挑战。电压暂降不仅会导致光伏系统的性能下降，甚至可能导致系统脱网或损坏。光伏逆变器作为连接光伏发电与电网的关键设备，其对电压暂降的响应能力直接关系到光伏系统的稳定性和电网的安全运行。因此，如何通过逆变器有效补偿电压暂降，已成为当前光伏发电领域亟待解决的重要课题。

一、光伏逆变器的工作原理与电压暂降问题分析

（一）光伏逆变器的基本工作原理

光伏逆变器作为光伏系统的核心设备，其主要作用是将光伏组件产生的直流电（DC）转换为适合电网传输的交流电（AC）。逆变器通过最大功率点跟踪（MPPT）技术调节光伏系统的输出，以便在不同光照条件下实现高效的能量转换[1]。逆变器的控制系统通过采集电流、电压和温度数据，实时优化光伏电池板的工作状态，使得输出功率达到最优。此外，逆变器还承担着电网同步的任务，即确保输出的交流电频率、相位与电网保持一致，从而保证系统的稳定并入电网。

（二）电压暂降的特征与影响

电压暂降（Voltage Dip）是指电力系统中电压在短时间内的突然下降，通常持续时间在几十毫秒到几百毫秒之间，幅度可达电网额定电压的30%至90%。电压暂降的成因多种多样，主要包括短路故障、设备启停、电网调度等因素。电压暂降的影响十分广泛，尤其对光伏逆变器的稳定性和运行性能构成了严重挑战。当电网电压出现暂降时，逆变器会受到电压波动的影响，可能出现过压或欠压保护机制触发，导致系统暂时脱网或输出功率下降，进而影响电力质量和光伏发电的经济效益。

（三）光伏逆变器在电压暂降中的响应特性

当电压暂降发生时，光伏逆变器的控制系统会根据预设的电压范围调整输出参数。如果电压暂降幅度超出了逆变器的允许范围，逆变器可能会自动断开与电网的连接，防止对电网造成负面影响。这一过程虽然有效防止了电网故障的扩展，但也导致了光伏系统的停运。逆变器的响应时间与其控制策略密切相关，通常需要在毫秒级的时间内完成电压调节和保护动作。为了提高光伏系统的稳定性，逆变器需要具备较强的动态响应能力以及在电压暂降时维持并网的能力。

二、电压暂降补偿技术的现状分析

（一）电压暂降补偿技术的分类与原理

电压暂降补偿技术主要分为两大类：传统电压暂降补偿技术和基于光伏逆变器的补偿技术。传统补偿技术包括静态无功补偿装置（SVC）、动态无功补偿装置（STATCOM）以及直流电压补偿装置等，这些技术通过独立设备实现电网的无功功率调节[2]。然而，这些传统技术通常成本较高，且与光伏系统的配合性较差。

基于光伏逆变器的补偿技术，则利用光伏逆变器自身的调节能力来缓解电压暂降的影响。光伏逆变器不仅能够提供有功功率，还能够调节无功功率输出，通过改变输出电压或调节输出功率的方式，有效平衡电网电压。这类技术具有较低的成本、较高的灵活性和较好的系统适配性，已成为当前研究的热点。

（二）电压暂降补偿技术面临的挑战与问题

尽管基于光伏逆变器的电压暂降补偿技术具有广泛的应用前景，但仍面临着一些技术挑战。首先，光伏逆变器的功率输出受到太阳辐照度和温度等环境因素的影响，导致其在电压暂降期间的响应能力不稳定。其次，逆变器的补偿能力受到其功率因数和无功功率调节范围的限制，在高负荷或严重电压暂降的情况下，逆变器可能无法充分发挥补偿作用。最后，现有的补偿策略大多局限于实验研究，缺乏在大规模光伏发电系统中的应用验证和长时间稳定性测试。

三、基于光伏逆变器的电压暂降补偿策略研究与实现

（一）基于逆变器的电压暂降补偿策略设计

针对电压暂降对光伏逆变器的影响，提出了一种基于电压调节和功率调度的补偿策略。该策略通过实时监测电网电压和逆变器输出电压差异，采用动态调整逆变器输出功率的方式进行电压暂降补偿。例如，在一项实验中，当电网电压突然下降至额定电压的70%时，逆变器通过增大无功功率输出，成功将电压波动幅度限制在了±5%以内，并且电网电压在50ms内恢复至额定值。依靠这种方式，逆变器能够显著减小光伏系统因电压暂降导致的停运时间，提高系统的可用性。此外，采用基于预测模型的电压恢复控制算法，可提前预判电压变化趋势，并及时调整逆变器的控制参数，以适应电压变化。在电网电压波动的初期，逆变器能够通过预测模型判断未来电压变化趋势，并在预测到电压暂降的情况下提前做好功率调节和电压恢复的准备。通过这种预测控制策略，系统可以在电压暂降发生前进行必要的调整，提升响应速度，减少系统的中断时间。

（二）电压暂降补偿策略的数学模型与仿真分析

为了验证补偿策略的有效性，建立了电压暂降补偿系统的数学模型。该模型包括逆变器的动态模型、电网电压变化模型以及补偿策略的控制模型[3]。通过MATLAB/Simulink平台进行仿真分析，模拟了不同幅度和持续时间的电压暂降对光伏系统的影响。在仿真过程中，采用了快速傅里叶变换（FFT）对电压波形进行分析，评估补偿策略对电网电压稳定性的影响。仿真结果表明，基于光伏逆变器的电压暂降补偿策略能够有效减小电压波动，提高系统的响应速度，并较好地恢复电网电压至额定值。以某实验系统为例，在电压暂降幅度为30%的情况下，补偿策略能够在100ms内使电网电压恢复至220V，且在频域上保持了良好的稳定性，电压波形没有出现明显的高频噪声或振荡，验证了该补偿策略在短时间内有效恢复电网电压的能力。

（三）补偿技术的工程实现与实验验证

为了验证补偿策略的实际效果，搭建了一个基于光伏逆变器的电压暂降补偿实验平台。该平台由光伏阵列、逆变器、电力负载及电网接口组成。在实验过程中，通过人为引入电压暂降故障，模拟不同电压水平下的系统响应。实验数据显示，基于光伏逆变器的电压暂降补偿策略能够显著提高系统的恢复能力，并有效减少了电压暂降引发的光伏系统停运时间。进一步分析表明，该补偿技术在不同环境条件下均表现出较强的稳定性和可靠性，证明了其在实际光伏发电系统中的应用潜力。

总结：文章深入探讨了基于光伏逆变器的电压暂降补偿技术，提出了一种通过调整光伏逆变器输出功率和电压的动态调节策略，有效应对电网电压暂降问题。该策略通过优化逆变器的响应机制，实现了电网电压的快速恢复与稳定。仿真与实验结果表明，该策略不仅能够迅速恢复电网电压，还能显著提高光伏系统的稳定性，减少电压暂降对系统性能的负面影响，尤其在长时间电压波动或高负荷情况下仍能保持优异的补偿效果，从而增强了光伏系统在复杂电网环境中的可靠性和适应性。

参考文献

[1]程秀芝，张亦鸣，侯晨曦，等.基于光伏发电的并网逆变器设计研究[J].能源技术与管理，2023，48（06）：27-29.

[2]陈思超，黄烈江，王鹏程，等.一种兼具无功补偿功能的电压暂降治理技术[J].电子技术应用，2023，49（11）：73-77.

[3]高菲菲，杨俊友，董鹤楠，等.基于虚拟同步发电机的光伏逆变器电压暂降自适应补偿控制策略[J].东北电力技术，2020，41（06）：5-10.