電網電壓諧波對光伏逆變器交流濾波電容的影響分析

余娟，楊利

（湖南鐵道職業技術學院，湖南株洲, 412001）

0 引言

在光伏發電系統中，逆變器是用來將太陽電池在陽光照射下產生的直流電轉換為交流電的裝置。在并網逆變器中，交流濾波器至關重要，它將逆變橋產生的開關脈沖電壓、電流轉換為連續的模擬量。在較低開關頻率的中大功率場合，常常采用LCL濾波器作為并網逆變器的輸出濾波器。LCL濾波器具有良好的高頻濾波特性，但存在固有的諧振尖峰，容易導致系統不穩定。

1 故障現象描述

某光伏電站的逆變器投入運行后，頻繁出現交流濾波電容失效的故障，主要表現為：（1）逆變器頻繁通報輸出電流異常故障；（2）部分故障交流濾波電容器存在接線端子漏油現象，其他外觀上無明顯異常；（3）更換交流濾波電容后，逆變器運行正常。

2 故障原因分析

2.1 電容電流影響因素

綜合分析故障現象，初步判斷電容失效可能與電容支路電流有關。逆變器采用LCL濾波器結構，交流濾波電容直接與電網連接，因此基波電壓和電網背景諧波電壓將在濾波電容上產生對應的電流，電流計算公式如式1所示。

由式1可知，電容電流與電容端電壓、諧波角頻率以及電容容量成正比，且電容端電壓的諧波次數越高，即角頻率越大，則對電容電流的影響更明顯。

2.2 基波電壓對電容支路電流的影響分析

在只考慮315V/50Hz基波電壓時，通過仿真可知在交流濾波電容上產生的電流為34A，仿真波形如圖1所示。

圖1 基波電壓時電容支路電流波形圖

2.3 理想并網運行對電容支路電流的影響分析

光伏逆變器交流側通過10kV/35kV升壓變壓器入網。為了分析電網電壓諧波對濾波電容的影響，根據電能質量公用電網諧波標準GB/T 14549-93中的公用電網諧波電壓（相電壓）限值計算方法，采用10kV公用電網的諧波畸變率作為設計參考值，即電網電壓總諧波不超過4%，奇次諧波不超過3.2%，偶次諧波不超過1.6%。

當考慮逆變器輸出紋波電流，即開關頻率附近高頻紋波電流和死區等因素所致的5、7次低頻紋波電流，通過仿真可知由電壓基波電流和逆變器輸出紋波電流理想并網運行下，在交流濾波電容支路產生的電流為58A，仿真波形如圖2所示。

圖2 理想并網運行時電容支路電流波形圖

2.4 電網背景諧波并網運行對電容支路電流的影響分析

實際上，電網電壓諧波主要為5、7、11、13次諧波。參考總諧波4%，13次諧波3.2%，11次諧波2.4%，由電壓基波電流、逆變器輸出紋波電流和電網背景諧波并網運行下，在交流濾波電容支路產生的電流仿真波形如圖3所示。

圖3 電網背景下電容支路電流波形圖

由圖可知，在4%電網電壓諧波下并網運行時電容支路電流達到了76A。由于本電容的Imax為80A，紋波電流值逼近最大允許電流值，長期運行時加速了電容失效。可見，電網電壓諧波對電容支路電流的影響很大。

3 故障解決辦法

為了減小電網電壓諧波對電容支路電流的影響，在原有電容支路并聯一組交流濾波電容。通過仿真可知在4%電網電壓諧波并網運行下，電容支路電流下降為46A，仿真波形如圖4所示。相比交流濾波電容最大允許電流值80A，仍有42.5%的裕量。

圖4 電網背景下兩組電容并聯電流波形圖

在后期現場并網調試過程中，測得某單組交流濾波電容配置下捕捉到的最大諧振電流為96.7A。加裝一組交流濾波電容后，逆變器運行穩定，電容支路紋波電流為41.9A。

4 結論

逆變器交流濾波電容電流應綜合考慮電網基波電流、逆變器輸出紋波電流以及電網電壓諧波電流因素的影響。使用兩組交流濾波電容相比一組電容來講可降低電容電流，留有更大裕量，確保電容安全有效運行。