光伏逆變系統(tǒng)的傳導(dǎo)電磁干擾關(guān)鍵技術(shù)研究

摘 要：本文綜合分析了光伏逆變系統(tǒng)的傳導(dǎo)電磁干擾噪聲，包括系統(tǒng)直流側(cè)模態(tài)參數(shù)提取，直流人工電源網(wǎng)絡(luò)特性參數(shù)建模方法，交流側(cè)傳導(dǎo)噪聲傳輸特性對(duì)共模/差模噪聲模態(tài)的影響。最后以某一光伏逆變器為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，先分析該系統(tǒng)直流側(cè)的傳導(dǎo)EMI特性，再就其超標(biāo)設(shè)計(jì)適用的直流EMI濾波器，以期本文設(shè)計(jì)方法為濾波器設(shè)計(jì)帶來參考和借鑒。

關(guān)鍵詞：光伏逆變系統(tǒng)；噪聲源內(nèi)阻抗提?。婚]環(huán)控制

中圖分類號(hào)：TM464

光伏并網(wǎng)逆變器采用大量電力電子器件，這會(huì)給電網(wǎng)造成嚴(yán)重的電磁兼容性問題[1]。當(dāng)前在逆變器的電磁兼容性研究上，人工電源網(wǎng)絡(luò)、噪聲分離網(wǎng)絡(luò)是主要的提取逆變器對(duì)外傳導(dǎo)噪聲的模態(tài)參數(shù)（即共模噪聲和差模噪聲）的方法，在設(shè)計(jì)EMI濾波器時(shí)多采用經(jīng)驗(yàn)值法。但尚存不足，如未考慮噪聲源內(nèi)阻抗特性對(duì)傳導(dǎo)EMI噪聲的影響，未考慮人工電源網(wǎng)絡(luò)特性參數(shù)對(duì)于模態(tài)提取精度的影響，未考慮不同模態(tài)噪聲傳輸?shù)穆窂?，未考慮閉環(huán)控制參數(shù)對(duì)不同模態(tài)噪聲的影響等。

在前期研究基礎(chǔ)上，本文分別研究了直流側(cè)噪聲源內(nèi)阻抗建模方法，直流人工電源網(wǎng)絡(luò)特性參數(shù)建模方法，交流側(cè)傳導(dǎo)噪聲傳輸特性對(duì)模態(tài)參數(shù)的影響。為分析與解決光伏并網(wǎng)逆變器的電磁兼容性問題提供了理論支撐。

1 系統(tǒng)直流側(cè)噪聲理論分析

1.1 直流側(cè)噪聲源建模方法

抑制逆變器的傳導(dǎo)EMI噪聲可提高光伏并網(wǎng)逆變器EMC，主要抑制手段為EMI濾波器。一般使用雙電流探頭法提取逆變器直流側(cè)噪聲源內(nèi)阻抗以設(shè)計(jì)高效的濾波器，為降低成本，本文提出基于直流系統(tǒng)的單電流探頭法。圖1（a）為原理圖，包括信號(hào)源、電流探頭、頻譜儀和并網(wǎng)逆變器。在信號(hào)輸出端串聯(lián)隔直電容以避免其受到高壓損壞，電磁兼容標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定傳導(dǎo)EMI噪聲的常規(guī)測(cè)試頻段為150KHz-30MHz，因此容值大小合適的隔直電容可保證信號(hào)發(fā)生器的輸出信號(hào)有效傳輸。為保證被測(cè)系統(tǒng)直流供電有效和信號(hào)發(fā)生器輸出信號(hào)有效進(jìn)入被測(cè)系統(tǒng)供阻抗提取使用，在原電路基礎(chǔ)上并聯(lián)旁路電阻，電阻大小根據(jù)阻抗提取實(shí)驗(yàn)需要確定。

1.2 直流人工電源網(wǎng)絡(luò)的理論研究

線阻抗穩(wěn)定網(wǎng)絡(luò)LISN（Line Impedance Stabilization Network）可將試驗(yàn)電路與電源上的噪聲信號(hào)相隔離，將干擾電壓耦合到測(cè)量接收機(jī)上，并能在射頻范圍內(nèi)在受試設(shè)備端子之間提供一規(guī)定阻抗[3]。

由L1、C1所組成的L型低通濾波器能濾除發(fā)電設(shè)備的輸出電流中的高次諧波以及高頻噪聲，以減少受試設(shè)備的供電電源中潛在的噪聲。逆變網(wǎng)絡(luò)工作時(shí)產(chǎn)生的噪聲電流會(huì)引起傳導(dǎo)電磁干擾，該噪聲流過C2與R2后被EMI接收機(jī)測(cè)量。

由于阻抗相差較大，接收機(jī)內(nèi)阻抗R3與人工電源網(wǎng)絡(luò)并聯(lián)時(shí)可忽略R2大小。在測(cè)試頻段內(nèi)，相對(duì)于EMI噪聲來說，電容C1、C2相當(dāng)于短路，去掉R3后電容C2通過電阻R2放電。假設(shè)直流母線正極負(fù)極上測(cè)量噪聲電壓為U+、U-，噪聲電流為I+、I-，則滿足：U+=50I+，U-=50I-。

2 交流側(cè)閉環(huán)控制下的噪聲建模方法

光伏并網(wǎng)逆變器交流側(cè)傳導(dǎo)EMI噪聲主要來源于功率管開通和關(guān)斷時(shí)產(chǎn)生的較高dv/dt及其在濾波電感上引起的di/dt，式（7）為忽略其它較小干擾源的近似方程。

通常將干擾電壓等效為理想的方波信號(hào)來分析逆變器輸出電壓的諧波，且忽略其上升和下降時(shí)間。采用SPWM控制，vD如圖4所示，它在半個(gè)周期內(nèi)由多個(gè)不同寬度的階梯波組成，導(dǎo)通時(shí)間由調(diào)制波和載波的幅值、頻率共同決定，脈沖個(gè)數(shù)由載波頻率決定。設(shè)ft，At分別為三角載波的頻率和幅值，fc，Ac分別為正弦調(diào)制波的頻率和幅值，則調(diào)制比M=Ac/At（0

可得vD的有效值：

由上式分析可得，在線路電感L、功率管漏柵極阻抗rds和寄生電容Cp確定的情況下，并網(wǎng)逆變器的傳導(dǎo)共模噪聲和差模噪聲的大小主要由載波頻率和功率管導(dǎo)通的時(shí)間決定。載波頻率升高，導(dǎo)通時(shí)間延長(zhǎng)，則傳導(dǎo)干擾噪聲變大。

3 實(shí)驗(yàn)與仿真結(jié)果分析

3.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)提取直流側(cè)噪聲源內(nèi)阻抗

利用德國(guó)RS的FSC3頻譜分析儀（9KHz-3GHz），BCP-513型電流探頭（150KHz-1GHz）、SG-4162AD LODESTAR公司信號(hào)發(fā)生器、50Ω標(biāo)準(zhǔn)阻抗等，根據(jù)文中所述方法設(shè)計(jì)直流側(cè)噪聲源內(nèi)阻抗提取實(shí)驗(yàn)，將該電路應(yīng)用于光伏并網(wǎng)逆變器的直流側(cè)，信號(hào)發(fā)生器在高頻輸出信號(hào)，根據(jù)0.15、1、2、3、…、30MHz的規(guī)律改變其頻率f，并在不同階段分別測(cè)量電流探頭的檢測(cè)電壓大小，然后根據(jù)公式（4）、（5）、（6）的測(cè)試步驟及條件，如圖5（b）所示為光伏逆變器直流側(cè)噪聲源內(nèi)阻抗。

3.2 直流側(cè)傳導(dǎo)EMI噪聲抑制實(shí)驗(yàn)

以太陽(yáng)能發(fā)電的光伏逆變器為例分析直流側(cè)傳導(dǎo)電磁干擾噪聲特性及其抑制，實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)由以下模塊構(gòu)成：光伏電池板、DC_LISN、光伏逆變器（包括負(fù)載）、傳導(dǎo)接收機(jī)和噪聲分離網(wǎng)絡(luò)等。其中光伏電池板在正常陽(yáng)光照射下輸出直流48V；DC_LISN采用蘇州泰思特公司的LSI-5uH-100，頻率范圍為0.1MHz-150MHz；光伏逆變逆變器采用光伏發(fā)電專用逆變器；接收機(jī)采用德國(guó)RS的FSC3，頻率范圍為9KHz-3GHz；噪聲分離網(wǎng)絡(luò)的插入損耗在頻率范圍內(nèi)最大2dB，共模/差模抑制比最小35dB，輸入阻抗50Ω。

光伏電池板正常工作時(shí)，逆變器輸出端接滿載負(fù)載，且未在直流側(cè)接入EMI濾波器時(shí)，通過DC-LISN測(cè)得的直流側(cè)干擾噪聲超標(biāo)，在530KHz、560KHz、12MHz-30MHz超標(biāo)：。為滿足標(biāo)準(zhǔn)，需采用有效措施進(jìn)行抑制，即設(shè)計(jì)傳導(dǎo)EMI濾波器。采用噪聲分離網(wǎng)絡(luò)對(duì)直流側(cè)總噪聲中的共模、差模噪聲模態(tài)進(jìn)行提取，提取結(jié)果如圖6（c）所示，分析可得差模噪聲是該系統(tǒng)直流側(cè)傳導(dǎo)電干擾噪聲中的主要成分，而共模噪聲信號(hào)較小，因而只需設(shè)計(jì)差模EMI濾波器。如圖6（d）所示為設(shè)計(jì)的傳導(dǎo)EMI濾波器，其中L1為采用異進(jìn)異出方式繞制的10mH共模扼流圈，C1、C2、C5、C6為0.022uF陶瓷電容，C3、C4為0.47uF陶瓷電容。

將所設(shè)計(jì)的濾波器接入逆變系統(tǒng)的直流側(cè)，再次測(cè)量其直流側(cè)傳導(dǎo)電磁干擾噪聲，結(jié)果如圖6（e）所示，逆變系統(tǒng)的傳導(dǎo)干擾噪聲在限值下，該結(jié)果較好地驗(yàn)證了所設(shè)計(jì)的共模EMI濾波器在抑制直流干擾噪聲方面的有效性。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文綜合分析了光伏逆變系統(tǒng)的傳導(dǎo)電磁干擾噪聲，包括系統(tǒng)直流側(cè)模態(tài)參數(shù)提取，直流人工電源網(wǎng)絡(luò)特性參數(shù)建模方法，交流側(cè)傳導(dǎo)噪聲傳輸特性對(duì)共模/差模噪聲模態(tài)的影響。本文通過MATLAB仿真對(duì)比分析DC_LISN的參數(shù)受到的高頻寄生參數(shù)的影響。最后以某一光伏逆變器為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，先分析該系統(tǒng)直流側(cè)的傳導(dǎo)EMI特性，再就其超標(biāo)設(shè)計(jì)適用的直流EMI濾波器，以期本文設(shè)計(jì)方法為濾波器設(shè)計(jì)帶來參考和借鑒。

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作者簡(jiǎn)介：

作者單位：江蘇省電氣裝備電磁兼容工程實(shí)驗(yàn)室，南京 210042；蘇州泰思特電子科技有限公司，江蘇蘇州 215011