中型功率光伏并網(wǎng)逆變器電磁輻射騷擾解決方法

霍燕寧，王利強(qiáng)，陳　超

（1.特變電工新疆新能源股份有限公司，烏魯木齊830011；2.特變電工西安電氣科技有限公司，西安710119；3.西安電力電子技術(shù)研究所，西安710000）

DOI：10.13234/j.issn.2095-2805．2016．1．102中圖分類號(hào)：U469.72文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

中型功率光伏并網(wǎng)逆變器電磁輻射騷擾解決方法

霍燕寧1，2，王利強(qiáng)1，2，陳超3

（1.特變電工新疆新能源股份有限公司，烏魯木齊830011；2.特變電工西安電氣科技有限公司，西安710119；3.西安電力電子技術(shù)研究所，西安710000）

為了提高光伏并網(wǎng)逆變器的效率，逆變器中的功率半導(dǎo)體器件往往采用較快的開關(guān)速度以降低其開關(guān)損耗。但提高開關(guān)速度會(huì)導(dǎo)致電路中的di/dt增大，產(chǎn)生的干擾相應(yīng)增加，造成逆變器的傳導(dǎo)騷擾、電磁輻射騷擾很難通過相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)。首先，以中型功率光伏并網(wǎng)逆變器為例，分析并查找輻射騷擾源；然后，通過對(duì)機(jī)箱進(jìn)行屏蔽，降低電源線共模電流等方法，使逆變器的電磁輻射騷擾通過標(biāo)準(zhǔn)限值要求。

光伏并網(wǎng)逆變器；電磁輻射騷擾；解決方法

引言

光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)由光伏陣列、并網(wǎng)逆變器及配電系統(tǒng)組成，如圖1所示。太陽能通過光伏組件轉(zhuǎn)化為直流電能，通過并網(wǎng)型逆變器將直流電能轉(zhuǎn)化為與電網(wǎng)同頻率、同相位的正弦波電流后再饋入電網(wǎng)［1］。

作為光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的核心，光伏并網(wǎng)逆變器起著舉足輕重的作用，無論是結(jié)構(gòu)還是控制技術(shù)，都直接影響著系統(tǒng)的性能和穩(wěn)定。光伏并網(wǎng)逆變器按照功率等級(jí)進(jìn)行分類，可分為功率小于10 kW的小型功率并網(wǎng)逆變器、功率等級(jí)10～50 kW的中型功率并網(wǎng)逆變器和功率50 kW以上的大型功率并網(wǎng)逆變器［2］。

圖1　光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)Fig.1 Solar grid-connected electricity system

光伏并網(wǎng)逆變器進(jìn)入市場(chǎng)時(shí)，必須滿足相關(guān)國(guó)家或地區(qū)的認(rèn)證要求，比如中國(guó)的金太陽認(rèn)證，歐盟的CE認(rèn)證。認(rèn)證對(duì)光伏并網(wǎng)逆變器均有EMC要求，并且，對(duì)光伏并網(wǎng)逆變器的傳導(dǎo)騷擾、電磁輻射騷擾的限值基本是一致的。本文主要闡述中型功率光伏并網(wǎng)逆變器金太陽認(rèn)證時(shí)，電磁輻射騷擾超標(biāo)時(shí)整改的步驟及解決方法，對(duì)CE認(rèn)證也同樣適用。

1　依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)

光伏并網(wǎng)逆變器金太陽認(rèn)證，依據(jù)能源標(biāo)準(zhǔn)NB/T32004-2013《光伏發(fā)電并網(wǎng)逆變器技術(shù)規(guī)范》及產(chǎn)品類標(biāo)準(zhǔn)GB 4824-2004《工業(yè)、科學(xué)和醫(yī)療（ISM）射頻設(shè)備電磁騷擾特性限值和測(cè)量方法》規(guī)定測(cè)試。GB 4824-2004中說明，B類設(shè)備可在3 m 和10 m之間的距離測(cè)量。本文測(cè)試均在3 m法暗室測(cè)量。

特變電工西安電氣科技有限公司的中型功率光伏并網(wǎng)逆變器用于居民住宅、商業(yè)和輕工業(yè)環(huán)境，因此需滿足GB 4824-2004中B類設(shè)備限值［3］。

限值根據(jù)場(chǎng)強(qiáng)與距離成反比，由標(biāo)準(zhǔn)中10 m限值歸一化至3 m限值，30～230 MHz頻段3 m限值為30 dB μV/m（10 m限值）+20 lg（10/3）=40 dBμV/m；同理230～1 000 MHz頻段3 m限值為47 dBμV/m。B類設(shè)備在3 m距離處的輻射騷擾限值如表1所示。

表1　B類設(shè)備在3 m距離處的輻射騷擾限值Tab.1 Electromagnetic radiation disturbance limits for class B equipment at 3 m

注：①表示在過渡頻率230 MHz處應(yīng)采用較低的限值，即40 dBμV/m。

逆變器垂直極化及水平極化輻射騷擾準(zhǔn)峰值低于限值為合格。

2　中型功率光伏并網(wǎng)逆變器電磁輻射騷擾機(jī)理分析

光伏并網(wǎng)逆變器是將直流電能轉(zhuǎn)變成交流電能的變流裝置，主要通過PWM波驅(qū)動(dòng)電子開關(guān)器件IGBT器件不停地“接通”和“關(guān)斷”直流電壓，從而產(chǎn)生一定幅度的交流電壓［4］。

Boost升壓、逆變主功率電路的電流、電壓很高，IGBT器件在幾百ns甚至幾十ns的時(shí)間內(nèi)開通及關(guān)斷數(shù)百V/A的電壓和電流，存在很高的di/dt，IGBT器件中的功率二極管在導(dǎo)通和截止時(shí)也會(huì)產(chǎn)生幅度較大的di/dt，造成的開關(guān)噪聲是整個(gè)逆變器最主要的干擾源［5］。

光伏并網(wǎng)逆變器的輸入端接太陽能光伏電池板，輸出端逆變?yōu)榻涣麟姴⑷腚娋W(wǎng)。某公司中型光伏并網(wǎng)逆變器主功率單板布局如圖2所示。圖中，粗箭頭標(biāo)記流動(dòng)為電磁騷擾，主要騷擾源為升壓、逆變電路的電磁騷擾以傳導(dǎo)或輻射的形式通過逆變器的直流輸入端口、交流輸出端口或機(jī)殼端口向空間輻射電磁騷擾［6］。

圖2中型光伏并網(wǎng)逆變器主功率單板布局Fig.2 Power circuit arrangement of medium power grid-connected PV inverter

3　電磁輻射騷擾測(cè)試

依據(jù)NB/T 32004-2013及GB 4824-2004，中型功率光伏并網(wǎng)逆變器電磁輻射騷擾測(cè)試布置如圖3所示。

3.1測(cè)試結(jié)果

電磁輻射騷擾是在傳導(dǎo)騷擾測(cè)試通過的基礎(chǔ)上測(cè)試。初次測(cè)試天線垂直極化時(shí)，結(jié)果如圖4所示。

圖3　光伏并網(wǎng)逆變器輻射騷擾測(cè)試布置Fig.3 Test arrangement for power grid-connected PV inverter electromagnetic radiation

經(jīng)測(cè)試，天線垂直極化時(shí)光伏并網(wǎng)逆變器的輻射騷擾比水平極化高很多，因此以天線垂直極化時(shí)進(jìn)行整改，整改完成后，再進(jìn)行天線水平極化測(cè)試。

圖4　初次天線垂直極化輻射騷擾Fig.4 Electromagnetic radiation in the vertical polarization for the first time

3.2電磁輻射騷擾超標(biāo)診斷

綜上，光伏并網(wǎng)逆變器的電磁騷擾可能從機(jī)箱端口輻射出來，也可能耦合到直流輸入線或交流輸出線，再輻射到機(jī)箱外。因此對(duì)這3個(gè)端口進(jìn)行逐一排查。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，輻射騷擾除了機(jī)箱泄露，電源線也會(huì)存在較大的共模電流輻射，診斷步驟［7］見圖5。

圖5　電磁輻射騷擾的診斷步驟Fig.5 Diagnostic process of electromagnetic radiation

3.3整改措施

根據(jù)圖5的診斷步驟，逐步排查，找出輻射原因。

（1）用導(dǎo)電布把逆變器機(jī)箱整體屏蔽，測(cè)試輻射騷擾。測(cè)試結(jié)果如圖6所示。

圖6　導(dǎo)電布屏蔽機(jī)箱輻射騷擾Fig.6 Electromagnetic radiation for using conductive cloth shielding the case

由圖6分析可知，大部分電磁騷擾是從機(jī)箱泄露出來的。主要原因是該逆變器機(jī)箱經(jīng)鍍漆處理，結(jié)合面均鍍漆，破壞了機(jī)箱的導(dǎo)電連續(xù)性。且因?yàn)楣夥⒕W(wǎng)逆變器為戶外使用，防護(hù)等級(jí)為IP65，機(jī)箱的結(jié)合面使用防水膠條，經(jīng)萬用表測(cè)量膠條不導(dǎo)電。導(dǎo)電連續(xù)性是保證機(jī)箱屏蔽效能的最關(guān)鍵因素［8］。

用去漆劑把機(jī)箱四周結(jié)合面的漆去掉，保證結(jié)合面的導(dǎo)電性，再在結(jié)合面上粘貼導(dǎo)電防水膠條。重新測(cè)試輻射騷擾，測(cè)試結(jié)果如圖7所示。

圖7　機(jī)箱屏蔽處理后輻射騷擾Fig.7 Electromagnetic radiation for shielding case

由圖7可見，采取這一措施后，與圖4對(duì)比，射騷擾下降約30 dB，但仍有約10 dB超標(biāo)。

（2）據(jù)圖5診斷步驟，判斷是直流還是交流線纜存在輻射發(fā)射。

查看該逆變器內(nèi)部單板之間的布局（見圖2），可以看出，直流EMI濾波器距離輸入端口較遠(yuǎn)，約40 cm。盡管這段線上連接了保險(xiǎn)管和開關(guān)，但基于電磁場(chǎng)天線接收原理，這段電纜的天線效應(yīng)長(zhǎng)度應(yīng)為直流EMI濾波器距離輸入端口的距離40 cm。

根據(jù)偶極子天線輻射理論，天線長(zhǎng)度l為電磁波波長(zhǎng)λ的1/2時(shí)，輻射強(qiáng)度最強(qiáng)；當(dāng)天線長(zhǎng)度與電磁波的波長(zhǎng)可比擬，即大于等于λ/20時(shí)，會(huì)輻射電磁波［9］。電纜長(zhǎng)度足夠長(zhǎng)時(shí)，會(huì)變成天線。超標(biāo)頻點(diǎn)在50 MHz左右，該頻點(diǎn)λ/20為30 cm，即這段40 cm的線纜與50 MHz左右頻點(diǎn)的波長(zhǎng)可比擬，形成天線，輻射電磁騷擾［10］。

用近場(chǎng)探頭實(shí)際測(cè)試，驗(yàn)證以上的理論分析。逆變器正常工作，機(jī)箱屏蔽完善，并用螺釘緊固。用近場(chǎng)探頭，靠近直流輸入端口，騷擾的頻率與圖7機(jī)箱屏蔽處理后輻射騷擾頻率一致，而靠近逆變器交流輸出端口的電源線纜，沒有發(fā)現(xiàn)騷擾。因此判斷直流電纜存在較大的共模電流。

采取的措施是在這段40 cm的線纜上加合適的磁環(huán)，讓這段線纜在50 MHz左右頻段呈現(xiàn)高阻［11］，避免騷擾耦合到線纜上。但這段線纜連接保險(xiǎn)管和開關(guān)，僅能在保險(xiǎn)管和開關(guān)之間加2個(gè)鎳鋅磁環(huán)。測(cè)試電磁輻射騷擾結(jié)果如圖8所示。對(duì)比圖7可知，圖8中騷擾有所改善。

圖8　40 cm線上加2個(gè)鎳鋅磁環(huán)的測(cè)試結(jié)果Fig.8 Test results of adding 2 ferrite cores to the 40 cm wire

在直流輸入端口的每根線上加一個(gè)Y電容（1nF），則騷擾更小了，測(cè)試結(jié)果如圖9所示。

圖9　直流輸入端口加1 nF Y電容的測(cè)試結(jié)果Fig.9 Test results of adding 1 nF Y capacitance to the DC port

把直流端口的Y電容增大，變?yōu)?0 nF，天線垂直極化電磁輻射騷擾通過標(biāo)準(zhǔn)限值，對(duì)峰值較高點(diǎn)進(jìn)行準(zhǔn)峰值測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如圖10所示。

圖10　直流輸入端口電容增大為10 nF的測(cè)試結(jié)果Fig.10 Test results of capacitance changing into 10 nF at the DC port

天線水平極化電磁輻射騷擾同樣通過標(biāo)準(zhǔn)限值要求，如圖11所示。

圖11　天線水平極化電磁輻射騷擾Fig.11 Electromagnetic radiation in the horizontal polarization

4　結(jié)論

（1）很多工程師在解決電磁輻射騷擾超標(biāo)問題時(shí)耗費(fèi)大量的時(shí)間和精力，因此一定要按照步驟診斷輻射超標(biāo)的原因［11］，正確的診斷步驟可以大大節(jié)省時(shí)間和精力。

（2）騷擾源定位準(zhǔn)確。

（3）根據(jù)產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)布局，有針對(duì)性地采取措施，抑制騷擾。

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Solution of Medium Power Grid-connected PV Inverter Radiation Emission

HUO Yanning1，2，WANG Liqiang1，2，CHEN Chao3
（1.TBEA Sunoasis Co.，Ltd，Urumuqi 830011，China；2.TBEA Xi'an Electric Technology Co.，Ltd，Xi'an 710119，China；3.Xi'an Power Electronics Research Institute，Xi'an 710000，China）

In order to improve the efficiency of Power Grid-connected PV Inverter，semiconductor devices tend to use a faster switching speed to reduce the switching losses. Increase the switching speed，resulting in the increase of di/ dt in the circuit，and the corresponding increase of the EMC interference. It is difficult to pass the relevant standards for the conduction emission and the radiation emission. This paper is taken medium power grid-connected PV Inverter as an example. Analysis and find the source of radiation emission，take special measures such as shielding，reduce common mode current of power line，and finally meet standard requirements.

grid-connected PV inverter；radiation emission；solution method

霍燕寧

2015-06-24

霍燕寧（1982-），女，通信作者，本科，工程師，研究方向：電磁兼容測(cè)試、整改及設(shè)計(jì)，E-mail∶48820724@qq.com。

王利強(qiáng)（1983-），男，碩士，工程師，研究方向：開關(guān)電源技術(shù)，E-mail∶barry_2013@ 163.com。

陳超（1983-），男，本科，工程師，研究方向：電力電子裝置，E-mail∶vicc2006@163. com。