中型功率光伏并网逆变器电磁辐射骚扰解决方法

霍燕宁，王利强，陈　超

（1.特变电工新疆新能源股份有限公司，乌鲁木齐830011；2.特变电工西安电气科技有限公司，西安710119；3.西安电力电子技术研究所，西安710000）

DOI：10.13234/j.issn.2095-2805．2016．1．102中图分类号：U469.72文献标志码：A

中型功率光伏并网逆变器电磁辐射骚扰解决方法

霍燕宁1，2，王利强1，2，陈超3

（1.特变电工新疆新能源股份有限公司，乌鲁木齐830011；2.特变电工西安电气科技有限公司，西安710119；3.西安电力电子技术研究所，西安710000）

为了提高光伏并网逆变器的效率，逆变器中的功率半导体器件往往采用较快的开关速度以降低其开关损耗。但提高开关速度会导致电路中的di/dt增大，产生的干扰相应增加，造成逆变器的传导骚扰、电磁辐射骚扰很难通过相应的标准。首先，以中型功率光伏并网逆变器为例，分析并查找辐射骚扰源；然后，通过对机箱进行屏蔽，降低电源线共模电流等方法，使逆变器的电磁辐射骚扰通过标准限值要求。

光伏并网逆变器；电磁辐射骚扰；解决方法

引言

光伏并网发电系统由光伏阵列、并网逆变器及配电系统组成，如图1所示。太阳能通过光伏组件转化为直流电能，通过并网型逆变器将直流电能转化为与电网同频率、同相位的正弦波电流后再馈入电网［1］。

作为光伏并网发电系统的核心，光伏并网逆变器起着举足轻重的作用，无论是结构还是控制技术，都直接影响着系统的性能和稳定。光伏并网逆变器按照功率等级进行分类，可分为功率小于10 kW的小型功率并网逆变器、功率等级10～50 kW的中型功率并网逆变器和功率50 kW以上的大型功率并网逆变器［2］。

图1　光伏并网发电系统Fig.1 Solar grid-connected electricity system

光伏并网逆变器进入市场时，必须满足相关国家或地区的认证要求，比如中国的金太阳认证，欧盟的CE认证。认证对光伏并网逆变器均有EMC要求，并且，对光伏并网逆变器的传导骚扰、电磁辐射骚扰的限值基本是一致的。本文主要阐述中型功率光伏并网逆变器金太阳认证时，电磁辐射骚扰超标时整改的步骤及解决方法，对CE认证也同样适用。

1　依据标准

光伏并网逆变器金太阳认证，依据能源标准NB/T32004-2013《光伏发电并网逆变器技术规范》及产品类标准GB 4824-2004《工业、科学和医疗（ISM）射频设备电磁骚扰特性限值和测量方法》规定测试。GB 4824-2004中说明，B类设备可在3 m 和10 m之间的距离测量。本文测试均在3 m法暗室测量。

特变电工西安电气科技有限公司的中型功率光伏并网逆变器用于居民住宅、商业和轻工业环境，因此需满足GB 4824-2004中B类设备限值［3］。

限值根据场强与距离成反比，由标准中10 m限值归一化至3 m限值，30～230 MHz频段3 m限值为30 dB μV/m（10 m限值）+20 lg（10/3）=40 dBμV/m；同理230～1 000 MHz频段3 m限值为47 dBμV/m。B类设备在3 m距离处的辐射骚扰限值如表1所示。

表1　B类设备在3 m距离处的辐射骚扰限值Tab.1 Electromagnetic radiation disturbance limits for class B equipment at 3 m

注：①表示在过渡频率230 MHz处应采用较低的限值，即40 dBμV/m。

逆变器垂直极化及水平极化辐射骚扰准峰值低于限值为合格。

2　中型功率光伏并网逆变器电磁辐射骚扰机理分析

光伏并网逆变器是将直流电能转变成交流电能的变流装置，主要通过PWM波驱动电子开关器件IGBT器件不停地“接通”和“关断”直流电压，从而产生一定幅度的交流电压［4］。

Boost升压、逆变主功率电路的电流、电压很高，IGBT器件在几百ns甚至几十ns的时间内开通及关断数百V/A的电压和电流，存在很高的di/dt，IGBT器件中的功率二极管在导通和截止时也会产生幅度较大的di/dt，造成的开关噪声是整个逆变器最主要的干扰源［5］。

光伏并网逆变器的输入端接太阳能光伏电池板，输出端逆变为交流电并入电网。某公司中型光伏并网逆变器主功率单板布局如图2所示。图中，粗箭头标记流动为电磁骚扰，主要骚扰源为升压、逆变电路的电磁骚扰以传导或辐射的形式通过逆变器的直流输入端口、交流输出端口或机壳端口向空间辐射电磁骚扰［6］。

图2中型光伏并网逆变器主功率单板布局Fig.2 Power circuit arrangement of medium power grid-connected PV inverter

3　电磁辐射骚扰测试

依据NB/T 32004-2013及GB 4824-2004，中型功率光伏并网逆变器电磁辐射骚扰测试布置如图3所示。

3.1测试结果

电磁辐射骚扰是在传导骚扰测试通过的基础上测试。初次测试天线垂直极化时，结果如图4所示。

图3　光伏并网逆变器辐射骚扰测试布置Fig.3 Test arrangement for power grid-connected PV inverter electromagnetic radiation

经测试，天线垂直极化时光伏并网逆变器的辐射骚扰比水平极化高很多，因此以天线垂直极化时进行整改，整改完成后，再进行天线水平极化测试。

图4　初次天线垂直极化辐射骚扰Fig.4 Electromagnetic radiation in the vertical polarization for the first time

3.2电磁辐射骚扰超标诊断

综上，光伏并网逆变器的电磁骚扰可能从机箱端口辐射出来，也可能耦合到直流输入线或交流输出线，再辐射到机箱外。因此对这3个端口进行逐一排查。根据经验，辐射骚扰除了机箱泄露，电源线也会存在较大的共模电流辐射，诊断步骤［7］见图5。

图5　电磁辐射骚扰的诊断步骤Fig.5 Diagnostic process of electromagnetic radiation

3.3整改措施

根据图5的诊断步骤，逐步排查，找出辐射原因。

（1）用导电布把逆变器机箱整体屏蔽，测试辐射骚扰。测试结果如图6所示。

图6　导电布屏蔽机箱辐射骚扰Fig.6 Electromagnetic radiation for using conductive cloth shielding the case

由图6分析可知，大部分电磁骚扰是从机箱泄露出来的。主要原因是该逆变器机箱经镀漆处理，结合面均镀漆，破坏了机箱的导电连续性。且因为光伏并网逆变器为户外使用，防护等级为IP65，机箱的结合面使用防水胶条，经万用表测量胶条不导电。导电连续性是保证机箱屏蔽效能的最关键因素［8］。

用去漆剂把机箱四周结合面的漆去掉，保证结合面的导电性，再在结合面上粘贴导电防水胶条。重新测试辐射骚扰，测试结果如图7所示。

图7　机箱屏蔽处理后辐射骚扰Fig.7 Electromagnetic radiation for shielding case

由图7可见，采取这一措施后，与图4对比，射骚扰下降约30 dB，但仍有约10 dB超标。

（2）据图5诊断步骤，判断是直流还是交流线缆存在辐射发射。

查看该逆变器内部单板之间的布局（见图2），可以看出，直流EMI滤波器距离输入端口较远，约40 cm。尽管这段线上连接了保险管和开关，但基于电磁场天线接收原理，这段电缆的天线效应长度应为直流EMI滤波器距离输入端口的距离40 cm。

根据偶极子天线辐射理论，天线长度l为电磁波波长λ的1/2时，辐射强度最强；当天线长度与电磁波的波长可比拟，即大于等于λ/20时，会辐射电磁波［9］。电缆长度足够长时，会变成天线。超标频点在50 MHz左右，该频点λ/20为30 cm，即这段40 cm的线缆与50 MHz左右频点的波长可比拟，形成天线，辐射电磁骚扰［10］。

用近场探头实际测试，验证以上的理论分析。逆变器正常工作，机箱屏蔽完善，并用螺钉紧固。用近场探头，靠近直流输入端口，骚扰的频率与图7机箱屏蔽处理后辐射骚扰频率一致，而靠近逆变器交流输出端口的电源线缆，没有发现骚扰。因此判断直流电缆存在较大的共模电流。

采取的措施是在这段40 cm的线缆上加合适的磁环，让这段线缆在50 MHz左右频段呈现高阻［11］，避免骚扰耦合到线缆上。但这段线缆连接保险管和开关，仅能在保险管和开关之间加2个镍锌磁环。测试电磁辐射骚扰结果如图8所示。对比图7可知，图8中骚扰有所改善。

图8　40 cm线上加2个镍锌磁环的测试结果Fig.8 Test results of adding 2 ferrite cores to the 40 cm wire

在直流输入端口的每根线上加一个Y电容（1nF），则骚扰更小了，测试结果如图9所示。

图9　直流输入端口加1 nF Y电容的测试结果Fig.9 Test results of adding 1 nF Y capacitance to the DC port

把直流端口的Y电容增大，变为10 nF，天线垂直极化电磁辐射骚扰通过标准限值，对峰值较高点进行准峰值测试，测试结果如图10所示。

图10　直流输入端口电容增大为10 nF的测试结果Fig.10 Test results of capacitance changing into 10 nF at the DC port

天线水平极化电磁辐射骚扰同样通过标准限值要求，如图11所示。

图11　天线水平极化电磁辐射骚扰Fig.11 Electromagnetic radiation in the horizontal polarization

4　结论

（1）很多工程师在解决电磁辐射骚扰超标问题时耗费大量的时间和精力，因此一定要按照步骤诊断辐射超标的原因［11］，正确的诊断步骤可以大大节省时间和精力。

（2）骚扰源定位准确。

（3）根据产品的结构布局，有针对性地采取措施，抑制骚扰。

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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

霍燕宁

2015-06-24

霍燕宁（1982-），女，通信作者，本科，工程师，研究方向：电磁兼容测试、整改及设计，E-mail∶48820724@qq.com。

王利强（1983-），男，硕士，工程师，研究方向：开关电源技术，E-mail∶barry_2013@ 163.com。

陈超（1983-），男，本科，工程师，研究方向：电力电子装置，E-mail∶vicc2006@163. com。