電網(wǎng)電壓諧波對(duì)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(yè)技術(shù)學(xué)院，湖南株洲, 412001）

0 引言

在光伏發(fā)電系統(tǒng)中，逆變器是用來(lái)將太陽(yáng)電池在陽(yáng)光照射下產(chǎn)生的直流電轉(zhuǎn)換為交流電的裝置。在并網(wǎng)逆變器中，交流濾波器至關(guān)重要，它將逆變橋產(chǎn)生的開(kāi)關(guān)脈沖電壓、電流轉(zhuǎn)換為連續(xù)的模擬量。在較低開(kāi)關(guān)頻率的中大功率場(chǎng)合，常常采用LCL濾波器作為并網(wǎng)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(dǎo)致系統(tǒng)不穩(wěn)定。

1 故障現(xiàn)象描述

某光伏電站的逆變器投入運(yùn)行后，頻繁出現(xiàn)交流濾波電容失效的故障，主要表現(xiàn)為：（1）逆變器頻繁通報(bào)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(xiàn)象，其他外觀上無(wú)明顯異常；（3）更換交流濾波電容后，逆變器運(yùn)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(xiàn)象，初步判斷電容失效可能與電容支路電流有關(guān)。逆變器采用LCL濾波器結(jié)構(gòu)，交流濾波電容直接與電網(wǎng)連接，因此基波電壓和電網(wǎng)背景諧波電壓將在濾波電容上產(chǎn)生對(duì)應(yīng)的電流，電流計(jì)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(shù)越高，即角頻率越大，則對(duì)電容電流的影響更明顯。

2.2 基波電壓對(duì)電容支路電流的影響分析

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

圖1 基波電壓時(shí)電容支路電流波形圖

2.3 理想并網(wǎng)運(yùn)行對(duì)電容支路電流的影響分析

光伏逆變器交流側(cè)通過(guò)10kV/35kV升壓變壓器入網(wǎng)。為了分析電網(wǎng)電壓諧波對(duì)濾波電容的影響，根據(jù)電能質(zhì)量公用電網(wǎng)諧波標(biāo)準(zhǔn)GB/T 14549-93中的公用電網(wǎng)諧波電壓（相電壓）限值計(jì)算方法，采用10kV公用電網(wǎng)的諧波畸變率作為設(shè)計(jì)參考值，即電網(wǎng)電壓總諧波不超過(guò)4%，奇次諧波不超過(guò)3.2%，偶次諧波不超過(guò)1.6%。

當(dāng)考慮逆變器輸出紋波電流，即開(kāi)關(guān)頻率附近高頻紋波電流和死區(qū)等因素所致的5、7次低頻紋波電流，通過(guò)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(wǎng)運(yùn)行下，在交流濾波電容支路產(chǎn)生的電流為58A，仿真波形如圖2所示。

圖2 理想并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)電容支路電流波形圖

2.4 電網(wǎng)背景諧波并網(wǎng)運(yùn)行對(duì)電容支路電流的影響分析

實(shí)際上，電網(wǎng)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(wǎng)背景諧波并網(wǎng)運(yùn)行下，在交流濾波電容支路產(chǎn)生的電流仿真波形如圖3所示。

圖3 電網(wǎng)背景下電容支路電流波形圖

由圖可知，在4%電網(wǎng)電壓諧波下并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)電容支路電流達(dá)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(zhǎng)期運(yùn)行時(shí)加速了電容失效。可見(jiàn)，電網(wǎng)電壓諧波對(duì)電容支路電流的影響很大。

3 故障解決辦法

為了減小電網(wǎng)電壓諧波對(duì)電容支路電流的影響，在原有電容支路并聯(lián)一組交流濾波電容。通過(guò)仿真可知在4%電網(wǎng)電壓諧波并網(wǎng)運(yùn)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(wǎng)背景下兩組電容并聯(lián)電流波形圖

在后期現(xiàn)場(chǎng)并網(wǎng)調(diào)試過(guò)程中，測(cè)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(yùn)行穩(wěn)定，電容支路紋波電流為41.9A。

4 結(jié)論

逆變器交流濾波電容電流應(yīng)綜合考慮電網(wǎng)基波電流、逆變器輸出紋波電流以及電網(wǎng)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(lái)講可降低電容電流，留有更大裕量，確保電容安全有效運(yùn)行。