电网电压谐波对光伏逆变器交流滤波电容的影响分析

余娟，杨利

（湖南铁道职业技术学院，湖南株洲, 412001）

0 引言

在光伏发电系统中，逆变器是用来将太阳电池在阳光照射下产生的直流电转换为交流电的装置。在并网逆变器中，交流滤波器至关重要，它将逆变桥产生的开关脉冲电压、电流转换为连续的模拟量。在较低开关频率的中大功率场合，常常采用LCL滤波器作为并网逆变器的输出滤波器。LCL滤波器具有良好的高频滤波特性，但存在固有的谐振尖峰，容易导致系统不稳定。

1 故障现象描述

某光伏电站的逆变器投入运行后，频繁出现交流滤波电容失效的故障，主要表现为：（1）逆变器频繁通报输出电流异常故障；（2）部分故障交流滤波电容器存在接线端子漏油现象，其他外观上无明显异常；（3）更换交流滤波电容后，逆变器运行正常。

2 故障原因分析

2.1 电容电流影响因素

综合分析故障现象，初步判断电容失效可能与电容支路电流有关。逆变器采用LCL滤波器结构，交流滤波电容直接与电网连接，因此基波电压和电网背景谐波电压将在滤波电容上产生对应的电流，电流计算公式如式1所示。

由式1可知，电容电流与电容端电压、谐波角频率以及电容容量成正比，且电容端电压的谐波次数越高，即角频率越大，则对电容电流的影响更明显。

2.2 基波电压对电容支路电流的影响分析

在只考虑315V/50Hz基波电压时，通过仿真可知在交流滤波电容上产生的电流为34A，仿真波形如图1所示。

图1 基波电压时电容支路电流波形图

2.3 理想并网运行对电容支路电流的影响分析

光伏逆变器交流侧通过10kV/35kV升压变压器入网。为了分析电网电压谐波对滤波电容的影响，根据电能质量公用电网谐波标准GB/T 14549-93中的公用电网谐波电压（相电压）限值计算方法，采用10kV公用电网的谐波畸变率作为设计参考值，即电网电压总谐波不超过4%，奇次谐波不超过3.2%，偶次谐波不超过1.6%。

当考虑逆变器输出纹波电流，即开关频率附近高频纹波电流和死区等因素所致的5、7次低频纹波电流，通过仿真可知由电压基波电流和逆变器输出纹波电流理想并网运行下，在交流滤波电容支路产生的电流为58A，仿真波形如图2所示。

图2 理想并网运行时电容支路电流波形图

2.4 电网背景谐波并网运行对电容支路电流的影响分析

实际上，电网电压谐波主要为5、7、11、13次谐波。参考总谐波4%，13次谐波3.2%，11次谐波2.4%，由电压基波电流、逆变器输出纹波电流和电网背景谐波并网运行下，在交流滤波电容支路产生的电流仿真波形如图3所示。

图3 电网背景下电容支路电流波形图

由图可知，在4%电网电压谐波下并网运行时电容支路电流达到了76A。由于本电容的Imax为80A，纹波电流值逼近最大允许电流值，长期运行时加速了电容失效。可见，电网电压谐波对电容支路电流的影响很大。

3 故障解决办法

为了减小电网电压谐波对电容支路电流的影响，在原有电容支路并联一组交流滤波电容。通过仿真可知在4%电网电压谐波并网运行下，电容支路电流下降为46A，仿真波形如图4所示。相比交流滤波电容最大允许电流值80A，仍有42.5%的裕量。

图4 电网背景下两组电容并联电流波形图

在后期现场并网调试过程中，测得某单组交流滤波电容配置下捕捉到的最大谐振电流为96.7A。加装一组交流滤波电容后，逆变器运行稳定，电容支路纹波电流为41.9A。

4 结论

逆变器交流滤波电容电流应综合考虑电网基波电流、逆变器输出纹波电流以及电网电压谐波电流因素的影响。使用两组交流滤波电容相比一组电容来讲可降低电容电流，留有更大裕量，确保电容安全有效运行。