光伏組件高空核電磁脈沖模擬試驗研究

沈高穩(wěn)，羅 珊，王金全，李建科

(陸軍工程大學 國防工程學院， 南京 210007)

1 引言

可靠的電力供應是打贏信息化戰(zhàn)爭的必備條件。在軍事領域，由光伏組件、儲能電池、柴油發(fā)電機等所構成的微電網(wǎng)已成為供電系統(tǒng)的重要形式之一。而電磁脈沖武器[1](electromagnetic pulse weapon，EMP)則是攻擊供電系統(tǒng)的有效武器，因此研究電磁脈沖武器對微電網(wǎng)的重要組件——光伏組件的影響，對于供電保障的可靠性、安全性及機動性具有重要意義。研究表明電磁脈沖武器[2](electromagnetic pulse weapon)所發(fā)出的電磁脈沖頻率范圍在MHz～GHz數(shù)量級之間，其發(fā)射的電磁脈沖峰值場強極高，能量極大，作用范圍極廣，能夠對供電一次系統(tǒng)和二次系統(tǒng)產(chǎn)生嚴重的威脅。武器型電磁脈沖大致可分為三類：① 高空核爆電磁脈沖(high-altitude electromagnetic pulse，HEMP)，由低當量核彈在高空引爆產(chǎn)生；② 超寬帶(ultra wide band，UWB)電磁脈沖，利用高爆炸藥及相關裝置產(chǎn)生，脈沖頻率高達108～1012Hz；③ 高功率微波(high power microwaves，HPM)，利用磁控管、虛陰極振蕩器等高功率微波器件產(chǎn)生，微波峰值功率超過100 MW。三類強電磁脈沖時域和頻域特性不同，但均可以通過天線、孔縫、線纜等的強耦合作用，對供電系統(tǒng)造成暫時和永久損傷。

國內(nèi)在強電磁脈沖領域進行了不同方面的理論和試驗分析：秦有權等[3]對電力系統(tǒng)可能面臨的災害以及戰(zhàn)爭威脅進行了分析，針對性提出了相關保護措施；張龍等[4]分析了強電磁脈沖環(huán)境對雷達裝備的影響，同時指出構建完備的防護體系與指標是未來研究的重點；軍械工程學院的陳亞洲等[5]對HEMP輻照下的某型無人機數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)“失鎖效應”進行了分析，另外還有對線纜耦合[6]、典型電力電子器件[7]、車輛[8]、電控單元[9]、通風彎管道[10]等的強電磁脈沖效應分析。

綜合分析研究背景及當前研究現(xiàn)狀，采用HEMP模擬器作為發(fā)射源，設計并實施了模擬HEMP環(huán)境下的單晶硅光伏組件輻照試驗，并針對試驗結果進行了分析和研究。

2 試驗基本情況

2.1 脈沖源分析

高空核爆(HEMP)模擬裝置[11]可以模擬高空核爆早期產(chǎn)生的E1成分，通常E1成分由雙指數(shù)函數(shù)來表示，表達式如下:

E(t)=kE0(e-αt-e-βt)

根據(jù)1996年IEC國際電工委員會頒布的IEC61000-2-9(description of HEMP environment-radiated disturbance)高空核爆電磁脈沖的標準[12]，式中，E(t)為隨時間變化的脈沖電場，E0為雙指數(shù)函數(shù)的峰值電場強度，一般E0=50 kV/m；k是電場強度的修正系數(shù)，取k=1.3，α和β為波形的特征參數(shù)，主要與波形的上升沿和下降沿有關，取α=4×107s-1，β=6×108s-1，一般為了保證電場脈沖的正極性，參數(shù)α、β和t應當滿足β≥α≥0，t≥0。在此參數(shù)下HEMP的電場時域波形和參數(shù)指標如圖1所示，脈沖上升沿為1.8～2.8 ns，半高寬23±5 ns，脈沖所攜帶的能量占比主要在0～100 MHz。

根據(jù)傅里葉變換[13]有：

(2)

E1=E0k[(α1+j2πf)-1-(β1+j2πf)-1]

(3)

進而可得頻域波形如圖2所示。

圖1 脈沖時域理論波形曲線

圖2 脈沖頻域理論波形曲線

試驗采用了平行板HEMP模擬器作為輻射源，圖3為示波器記錄的電磁脈沖波場強E的時域波形， 圖4為試驗電磁脈沖場強E的頻域波形，能量占比主要在0～100 MHz。結合試驗數(shù)據(jù)經(jīng)過計算得：試驗波形脈沖上升沿約為2 ns，半高寬約20 ns。由上述分析對比可知：脈沖模擬器產(chǎn)生的波形與HEMP標準基本一致[14]。

圖3 脈沖時域試驗波形曲線

圖4 脈沖頻域試驗波形曲線

2.2 試驗目的

測量光伏板在HEMP環(huán)境中的高頻耦合電流，研究銅網(wǎng)屏蔽及光伏板仰角對耦合電流數(shù)值的影響效果，通過控制單一變量的方法展開試驗。

2.3 試驗方案

試驗原理電路如圖5所示，280 W單晶硅光伏板和25 Ω負載電阻構成串聯(lián)電路。采用高頻羅氏電流線圈測量高頻干擾電流，其中CH1對應PEARSON2877電流探頭，測量雙線耦合電流，CH2對應PEARSON150電流探頭，測量單線耦合電流，采用Tek3054示波器對數(shù)據(jù)進行實時記錄。

圖5 試驗原理電路圖

電路置于平行板HEMP模擬器內(nèi)，光伏板正面與水平方向的夾角記為θ，稱為光伏板仰角，如圖6所示，試驗中模擬器的場強峰值電壓為165 kV。

圖6 試驗狀態(tài)示意圖

根據(jù)光伏板是否包裹屏蔽銅網(wǎng)及θ角的大小不同，設計4組對比性試驗，如表1所示。

表1 試驗分組

2.4 試驗現(xiàn)場

試驗現(xiàn)場如圖7及圖8所示。銅網(wǎng)的目數(shù)越大越密，屏蔽效果越好，但透光性越差，綜合考慮光伏板的光照效果及屏蔽效能的要求，試驗1及試驗2中選擇300目的銅網(wǎng)進行屏蔽。

圖7 光伏板試驗現(xiàn)場圖

圖8 線路連接狀態(tài)圖

本試驗僅研究HEMP對光伏板本身的電磁干擾效應，因此試驗線路采用屏蔽雙絞線，并用銅網(wǎng)包裹，以排除電磁脈沖對線纜的電磁干擾。

3 試驗數(shù)據(jù)及分析

針對以上的試驗安排及測試內(nèi)容，依據(jù)試驗條件的不同得出4種工況下試驗原始波形圖：

如圖9所示，對上述4組試驗數(shù)據(jù)進行處理，經(jīng)計算高頻耦合電流如表2所示。

圖9 試驗原始波形曲線

表2 耦合電流值

從表2可知：在模擬HEMP環(huán)境中，單塊光伏板耦合了高頻耦合電流，峰峰值可達數(shù)十安培；進一步分析CH1和CH2的數(shù)據(jù)，得知HEMP對光伏板耦合的干擾電流以共模信號為主；包裹銅網(wǎng)能夠減小耦合電流的大小，如相同仰角條件下，對比試驗2和試驗4，CH1耦合電流的峰峰值最多可削減66.9%； 光伏板仰角對于耦合電流的大小也有影響，根據(jù)試驗現(xiàn)場電磁場的方向，及理論上分析，光伏板越陡，電磁場在光伏板上耦合的高頻電流越大。試驗3、試驗4數(shù)據(jù)符合基本規(guī)律。但是當采用銅網(wǎng)屏蔽以后，對比試驗1和試驗2，數(shù)據(jù)不完全符合上述規(guī)律，經(jīng)分析，其原因是光伏板包裹銅網(wǎng)屏蔽后周圍電磁場可能發(fā)生大小及方向上的畸變。

對耦合電流進行頻域分析,對比θ=68°條件下銅網(wǎng)屏蔽對耦合電流大小的影響，如圖10、圖11所示。

圖10 有無銅網(wǎng)屏蔽對CH1耦合電流的影響曲線

圖11 有無銅網(wǎng)屏蔽對CH2耦合電流影響曲線

對耦合電流進行頻域分析,在銅網(wǎng)屏蔽相同條件下，分析θ=51°和θ=68°時耦合電流的大小，如圖12、圖13所示。

圖12 銅網(wǎng)屏蔽時不同θ下的CH1耦合電流曲線

圖13 銅網(wǎng)屏蔽時不同θ下的CH2耦合電流曲線

由頻域分析可看出，試驗中較大的耦合信號頻段均集中在0～100 MHz，并且耦合電流幅值最大的頻段均在20 MHz附近。值得注意的是，對比圖10和11可得，θ=68°時銅網(wǎng)屏蔽對各頻段的耦合電流削減較大，20 MHz附近約削減79%；而對比圖12和圖13，銅網(wǎng)屏蔽的情況下θ=51°時20 MHz附近耦合電流幅值約為θ=68°時的6倍。因此，光伏板耦合高頻電流的大小受銅網(wǎng)屏蔽及仰角大小的綜合影響，而且2個因素也相互影響。

4 結論

1) 光伏板能夠耦合HEMP高頻干擾電流。試驗數(shù)據(jù)表明，單塊光伏板處于HEMP環(huán)境中能夠產(chǎn)生高頻耦合電流，而實際應用中多塊光伏板構成光伏陣列，HEMP的耦合高頻電流會遠大于試驗所測單板數(shù)據(jù)，這將對光伏板本身及系統(tǒng)中的電力電子器件產(chǎn)生嚴重的干擾甚至損壞，應加以防護。同時試驗數(shù)據(jù)表明HEMP對光伏板的的耦合信號以共模信號為主，在設計防護電路時應加以注意。

2) 光伏板覆蓋一定密度的銅網(wǎng)對HEMP有屏蔽作用。試驗數(shù)據(jù)表明銅網(wǎng)屏蔽可使得耦合電流顯著減小，在微電網(wǎng)光伏組件的HEMP防護措施上，可以綜合考慮透光性，通過在光伏板表面覆蓋銅網(wǎng)以減小HEMP對光伏板及其組成的微網(wǎng)系統(tǒng)的干擾效應。

3) 光伏板的仰角對耦合電流大小有影響。本實驗中，調(diào)整光伏板受光面與脈沖源輻照方向的夾角能減小耦合電流大小，因此調(diào)整微電網(wǎng)中光伏板的擺放角度對防護有極化方向的電磁脈沖武器具有一定的防護效能。

4) 由頻譜圖可知，耦合電流幅值較大的頻段約在0～100 MHz，耦合電流幅值峰值20 MHz附近。銅網(wǎng)屏蔽削減各頻段幅值效果均較明顯，且仰角角度對耦合電流的影響與銅網(wǎng)屏蔽存在一定的關系，可結合上述綜合條件對光伏板采取合適的HEMP防護措施。