★ 東莞莞能綠色能源服務有限公司 陳靈

關鍵詞：光伏電站；低電壓穿越；滑膜結構控制；自適應；無功

受天氣等因素的作用，光伏電站可能會遭遇低電壓穿越的問題。當電網電壓降低到一定水平時，光伏電站需要能夠保持連續運行而不會對電網造成過大影響。滑模變結構控制通過精心設計滑動模態，可以消除系統動態特性的不確定性以及外部擾動的影響，進而實現對系統的精準控制。通過實時檢測電網電壓和負載電流，計算出光伏電站的有功功率和無功功率需求。然后，利用滑模變結構控制器實現對有功功率和無功功率的快速響應，以實現光伏電站的低電壓穿越。實時調整無功功率的控制策略，以適應不同的電網環境和負載條件。

近年來，眾多學者對此展開研究，如鄭超等人[1]基于廣域支路響應，通過多機組協調控制增強系統整體穩定性。但部分模型對光伏電源與電力系統的復雜特性考量尚顯不足，尤其在多因素耦合作用下，對低頻振蕩的產生機理剖析不夠深入；齊金玲等人[2]采用自適應滑模控制，通過在線觀測電網阻抗變化，動態調整控制增益，抑制弱電網下的諧波振蕩。但在弱電網阻抗存在不確定性的情況下，系統難以在復雜工況下維持穩定運行。

在該背景下，本文以光伏電站低電壓穿越滑模變結構無功自適應控制方法為研究對象，結合實際情況進行研究與分析。

1   滑模變結構無功自適應控制設計

1.1   建立光伏逆變器數學模型

光伏電站通過并網逆變器接入電網，在同步旋轉d - q坐標系下，逆變器的數學模型可描述為式（1）：

式中：ud、uq分別為逆變器輸出電壓的d、q軸分量；ed、eq分別為電網電壓的d、q軸分量； w為電網角頻率； Li為濾波電感。采用電網電壓定向矢量控制，令 ed = E，e, = 0， 則逆變器輸出的有功功率為p和無功功率為。低電壓穿越期間，控制目標為優先輸出無功電流以支撐并網點電壓，因此需對進行快速精確控制。為提高無功電流在電壓跌落期間的跟蹤速度與魯棒性，我們設計了滑模變結構控制器。其定義無功電流跟蹤誤差為，選取滑模面為積分滑模面，以消除穩態誤差，并對滑模面求導，結合動態方程，得等效控制律[3]。為保證系統狀態在有限時間內到達滑模面并抑制參數攝動及外部擾動，我們引入切換控制項，綜合得到軸控制電壓為式（2）：

式中：為切換增益；k為指數趨近系數； u為等效控制率。我們通過建立光伏逆變器數學模型，定量描述被控對象，從而能解析地設計出滑模變結構控制器， 最終實現對無功電流的精確控制，以應對電網故障。

1.2   基于模糊邏輯的自適應趨近律

固定增益的切換項E X Sgn(s)會引發系統抖振，且在深度電壓跌落時可能因增益不足導致跟蹤性能下降或增益過大加劇振蕩。為此，我們設計了基于模糊邏輯的自適應趨近律，根據滑模面s及其變化率s&實時調整切換增益。其模糊邏輯系統輸入為 和s&，輸出為E的調整量As。輸入輸出模糊集均采用七個語言值，隸屬度函數采用三角形函數[4]。模糊規則設計遵循以下原則：當I S l較大時，增大以加快趨近速度；當I S l較小時，減小E 以抑制抖振；同時考慮&的趨勢，防止超調。自適應切換增益的更新律為式（3）：

式中：0為初始增益；K為比例因子。將自適應后的代入公式計算，獲得自適應滑模控制律，可以有效抑制抖振，同時保證動態響應速度。

1.3   無功電流優先動態分配策略的無功自適應控制

為確保電網故障導致并網點電壓跌落時，光伏電站能夠持續不脫網運行， 并向電網提供無功功率以支撐電壓恢復，設定電網電壓跌落深度作為衡量故障嚴重程度的指標，通過根據跌落深度動態調整無功電流指令，可精準實現有效的電壓支撐。因此，在低電壓穿越期間，電網電壓跌落深度為式（4）：

式中：En 為額定電壓幅值。并網規程要求逆變器輸出一定量的無功電流以支撐電網。采用動態無功電流優先分配策略，可在逆變器限流范圍內實現無功輸出的最大化，同時確保有功電流不越限。無功電流指令值的表示為式（5）：

式中：  r max為逆變器允許的最大無功電流；  dm   為無功電流達到最大值時的跌落深度；  In為額定電流幅值。優先確保q*滿足規程要求，再根據剩余容量確定d 。實際運行時，需實時檢測電壓跌落深度，在深度跌落時迅速切換至無功優先模式，以最大限度地利用逆變器容量注入容性無功，主動抬升并網點電壓。計算值，然后由滑模控制器驅動逆變器輸出，實現了低電壓穿越期間的無功自適應控制[5]。通過滑模變結構控制，可以實現無功電流的快速精準跟蹤；借助模糊邏輯自適應趨近律，可以有效抑制抖振現象；再結合無功優先分配策略，可以使光伏電站在電網故障期間能提供穩定可靠的無功支撐，既兼顧了發電效率，又保障了電網安全，顯著增強了電網的暫態穩定性。

2   實驗測試與分析

2.1   搭建實驗環境

針對滑模變結構的光伏電站低電壓穿越無功自適應控制方法， 我們在Matlab平臺中搭建了500kW光伏并網發電系統仿真模型進行實驗。實驗測試的系統主要參數如表1所示。

表1 系統主要參數表

該實驗通過調整光照強度和溫度參數來模擬不同的光伏陣列工作條件，并設置不同的負載組合，以模擬光伏電站并網點的實際負載情況。實驗設備的安裝需確保牢固可靠，以避免設備在運行過程中出現傾倒等意外情況。對電壓傳感器和電流傳感器進行校準，使用標準信號源輸入已知的電壓和電流信號，調整傳感器的輸出，使其與標準值一致，確保傳感器的測量精度滿足實驗要求。

2.2   結果與分析

在光伏電站低電壓穿越場景中，為精準評估本文方法在抖振抑制方面的效果，我們引入了抖振強度指標。本研究設置三個小組，其中本文方法為實驗組，其余方法作為對照組，在跌落深度30%的典型工況下，進行對比實驗。實驗所得抖振抑制效果如圖1所示。

圖1 抖振抑制效果圖

實驗結果表明，在跌落深度30%的工況下，實驗組的抖振強度指標計算值為B=2.3A。相較于其他兩種方法，本文方法在抖振強度上具有明顯優勢，有效降低了系統運行過程中的高頻振蕩。這種顯著的抖振抑制效果，得益于本文方法中獨特的模糊自適應切換增益設計。該設計使得系統能夠在故障發生的瞬間獲得足夠的驅動力，保證了系統快速趨近于穩定狀態，從而及時響應低電壓穿越的需求，為電網提供了有效的無功支撐，防止了電壓進一步跌落，保障了電力系統的初步穩定性。綜上，光伏電站低電壓穿越滑模變結構無功自適應控制方法，通過模糊自適應切換增益設計，顯著降低了抖振強度，有效提升了系統在低電壓穿越過程中的動態響應能力和穩態運行精度，保障了光伏電站與電網的安全穩定運行。

3   結束語

本研究采用滑模變結構控制技術來實現光伏發電系統對有功功率和無功功率的快速調節，以保障系統在電網電壓波動或跌落時能夠穩定輸出，同時減少其對電網的影響。通過動態調整控制參數，光伏發電系統能夠在各種復雜電網環境中穩定運行，進而提高了其整體性能和可靠性，使其能夠有效應對電網中的非線性以及外部擾動，保證了系統的穩定性。

作者簡介：

陳   靈（1985-），女，廣東人， 中級工程師， 學士，現就職于東莞莞能綠色能源服務有限公司，研究方向為新能源。

參考文獻：

[1] 鄭超, 孫華東, 呂思卓. 并網光伏低電壓穿越對低頻振蕩阻尼影響及抑制[J]. 電網技術, 2024, 48 (11) : 4464 - 4472.

[2] 齊金玲, 李衛星, 朱蒙, 等. 直驅風機低電壓穿越行為對并網點電壓的影響及優化控制[J]. 電力系統自動化, 2023, 47 (7) : 105 - 113.

[3] 鄭濤, 王子鳴, 鄒芃鎣. 基于相位跳變補償的虛擬同步發電機低電壓穿越控制策略研究[J]. 電網技術, 2023, 47 (1) : 100 - 109.

[4] 路焱, 宋曉輝, 盛萬興, 等. 計及低電壓穿越過程電流動態的新能源并網系統暫態同步穩定分析方法和控制策略[J]. 電網技術, 2025, 49 (11) : 4556 - 4567.

[5] 劉昊霖, 賈科, 畢天姝, 等. 接入新能源大基地匯集系統的柔直換流站低電壓穿越方法[J]. 電工技術學報, 2025, 40 (3) : 759 - 770.

摘自《自動化博覽》2026年4月刊