智能逆变器无功控制模式对低压穿越性能的影响研究——以印度尼西亚哥伦打洛为例

《IEEE Access》：Reactive Power Control Modes in Smart Inverters for Overvoltage Mitigation: Impacts on LVRT Performance — A Case Study in Gorontalo, Indonesia

　　本文针对高比例光伏并网导致的配电网过电压问题，研究了智能逆变器无功控制模式在正常过电压抑制与故障低压穿越（LVRT）性能间的协调机制。研究团队在印度尼西亚哥伦打洛的实际中压馈线案例中，开发了集成固定VAr、固定功率因数（PF）、Watt-VAr和Volt-VAr等多模式的无功控制框架，结合故障检测与电流限制策略。结果表明，保守的无功限值（如±33%）虽可缓解稳态过电压，但会削弱LVRT期间的动态无功支撑能力；而Volt-VAr模式在±100%限值下可实现最优的电压恢复速度（8.3 ms）与故障电流支撑（1.3117 p.u.）。该研究为高光伏渗透率配电网中逆变器参数配置提供了关键权衡依据。

　　

随着全球能源转型的加速推进，太阳能光伏（PV）发电在配电网中的渗透率持续攀升，这一趋势在带来清洁电力的同时，也引发了新的技术挑战。在阳光充沛、负荷较低的时段，光伏发电的过剩功率注入配电网，极易导致线路末端电压越限，即过电压问题。这就像给原本设计承载特定水流量的管道突然注入过量水流，必然引起管道压力（电压）异常升高。为了“泄压”，智能逆变器作为光伏系统与电网的接口，被赋予了吸收或注入无功功率（VAr）来调节电压的能力。然而，电网的运行状态并非总是风平浪静。当线路某处发生短路故障时，电压会瞬间骤降，此时并网标准要求光伏逆变器必须具备“低压穿越”（LVRT）能力，即在一定时间内不脱网，并能向电网注入无功电流以帮助电压恢复。这就对智能逆变器提出了双重任务：平时（正常工况）要“降压”，灾时（故障工况）要“撑压”。那么，一个关键的科学与工程问题随之浮现：那些为了日常抑制过电压而配置的无功控制模式，会不会在电网最需要支持的故障时刻“掉链子”，反而削弱其LVRT性能呢？

为了回答这个兼具理论与现实意义的问题，一篇发表在《IEEE Access》上的研究论文《Reactive Power Control Modes in Smart Inverters for Overvoltage Mitigation: Impacts on LVRT Performance-A Case Study in Gorontalo, Indonesia》对此进行了深入探索。研究团队以印度尼西亚哥伦打洛地区一个实际存在过电压问题的2 MWp光伏电站为案例，设计了一个多功能控制框架，系统评估了四种常见的无功控制模式在应对日常过电压和突发故障时的综合表现。

研究人员采用的关键技术方法主要包括：构建了集成固定VAr、固定PF、Watt-VAr和Volt-VAr四种标准无功控制模式的智能逆变器模型；设计了基于电压有效值（RMS）的故障检测逻辑，并设定了10 ms的故障确认延时（T_pick）和0.3 s的故障保持时间（T_hold）；实现了符合印尼电网规范的LVRT机制，其动态无功电流注入参考值（i_{q, LVRT}）由电压偏差（ΔV_f）与增益系数（K_LVRT=2）的乘积加上故障前冻结的无功电流（i_{q, freeze}）构成；引入了基于逆变器最大电流（i_max=1.5 p.u.）的故障电流限制策略，以确保设备安全。

正常工况下的过电压缓解效果

在模拟实际日照和负荷变化的准稳态分析中，研究发现不同的无功控制模式对光伏电站并网点（PCC）电压的调控效果差异显著。

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  固定VAr与固定PF模式：固定VAr模式持续吸收固定值无功（约0.563 MVAr），但不足以完全抑制峰值发电时的过电压。固定PF模式（PF_ref=0.85）通过维持较低功率因数，实现了较强的无功吸收，能有效将PCC电压控制在1.05 p.u.限值以内，但代价是逆变器负载率高达100%，频繁触发有功功率削减。
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  Watt-VAr与Volt-VAr模式：Watt-VAr模式根据有功功率水平线性调节无功功率，在高峰时吸收约0.72 MVAr无功，但其过电压抑制效果有限。Volt-VAr模式的表现最为突出，其效果高度依赖于设定的无功功率限值（±Q_lim）。当设置为±100%（即充分利用逆变器视在功率容量）时，可吸收高达1.046 MVAr的无功，成功将电压维持在安全范围内；而当限值收紧至±44%（IEEE Std 1547-2018最低要求）和±33%（印尼标准）时，其无功吸收能力分别降至0.991 MVAr和0.743 MVAr，过电压问题再次出现。这表明，更宽松的无功限值为电压控制提供了更大灵活性。

故障工况下的LVRT性能

通过对馈线上两个不同位置（F1和F2）施加三相对称故障，研究评估了各控制模式在电压暂降期间的动态响应。

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  固定控制模式的局限性：固定VAr和固定PF模式在故障期间的反应相对僵化。其无功电流注入（i_q）无法根据电压暂降深度进行动态大幅提升，峰值均低于电网规范要求的1.0 p.u.，导致电压支撑能力较弱，且故障清除后电压恢复时间较长（固定VAr模式39.3 ms，固定PF模式46.6 ms）。
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  Watt-VAr模式的功率依赖性：Watt-VAr模式的无功输出与瞬时有功功率相关。在低辐照度（300 W/m2）下，其无功电流注入几乎为零；即使在高辐照度（1000 W/m2）下，i_{q, LVRT}峰值也仅约0.9 p.u.，仍无法满足LVRT要求。
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  Volt-VAr模式的优越性：Volt-VAr模式展现出最佳的适应性。在80%电压暂降（F1点故障）时，±100% Q_lim配置下的逆变器能迅速将i_{q, LVRT}提升至超过1.0 p.u.，同时通过降低有功电流（i_d）确保总电流不超限。这使得该模式下的不间断故障电流高达1.3117 p.u.，故障电流贡献比（FCCR）达到0.8745，电压支撑指数（VSI）最低（0.8022），且电压恢复时间最短（8.3 ms）。相比之下，±44%和±33%的配置则因无功上限不足而无法达到合规的电流注入水平。在50%电压暂降（F2点故障）和零电压穿越（ZVRT）延迟清除（0.5 s）的极端场景下，Volt-VAr（±100%）模式仍能保持并网，持续提供无功支持，并在故障后平稳过渡到正常状态。

研究结论与重要意义

该研究通过系统的仿真分析，揭示了一个清晰的权衡关系：为抑制稳态过电压而设置的保守无功功率限值，虽然有助于日常电压管理，但会显著削弱智能逆变器在电网故障期间的LVRT性能，表现为更低的动态无功电流注入和更慢的电压恢复速度。反之，采用更具侵略性的无功控制策略（如Volt-VAr模式配合宽松的±Q_lim），则能在保证设备安全的前提下，同时优化正常和故障工况下的电网电压支撑。

这项研究的重要意义在于，它首次在一个统一的控制框架内，量化评估了标准无功控制模式对LVRT性能的影响，为光伏逆变器的参数整定提供了关键依据。研究结果提示，电网运营商和光伏业主在配置逆变器时，需综合考虑过电压风险与故障穿越要求，避免因不当的无功限值设置而导致系统在扰动下变得脆弱。特别是对于像印尼哥伦打洛这样具有高光伏渗透率和特定网络特性的地区，研究结论具有直接的指导价值。未来，该控制框架可进一步扩展至不对称故障、分布式屋顶光伏聚合以及电池储能系统（BESS）协调控制等更复杂的场景，并通过硬件在环（HIL）实验进行验证，以推动智能逆变器在构建更 resilient（有弹性）的未来电网中发挥核心作用。