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如何降低电磁辐射–光伏逆变器中的黑科技

2018-3-29

光伏逆变器是光伏系统的核心设备,主要作用是把光伏组件发出来的直流电变成符合电网要求的交流电。但实际上逆变器不仅仅是逆变,而是光伏电站的安全管家,逆变器还承担着光伏方阵和电网的监测和保护,对外界环境防护和人机交互等系统级功能。

在光伏行业标准NB32004-2013中,逆变器有100多个严格的技术参数,每一个参数合格才能拿到证书。国家质检总局每一年也会抽查,对光伏并网逆变器产品的保护连接、接触电流、固体绝缘的工频耐受电压、额定输入输出、转换效率、谐波和波形畸变、功率因数、直流分量、交流输出侧过/欠压保护等9个项目进行了检验。

一款全新的逆变器,从开发到量产,要两年多时间才能出来,除了过欠电压保护等功能外,逆变器还有很多鲜为人知的黑科技,如漏电流控制、热设计、电磁兼容、谐波抑制、效率控制等等,需要投入大量的人力和物力去研发和测试。

本文主要介绍逆变器的电磁兼容设计技术

1、什么是电磁兼容

电磁兼容性(EMC)是指设备或系统在其电磁环境中符合要求运行并不对其环境中的任何设备产生无法忍受的电磁干扰的能力。因此,EMC包括两个方面的要求:一方面是指设备在正常运行过程中对所在环境产生的电磁干扰不能超过一定的限值;另一方面是指器具对所在环境中存在的电磁干扰具有一定程度的抗扰度,即电磁敏感性。

2、逆变器为什么要进行电磁兼容设计

光伏系统是由光伏组件、支架、直流电缆、逆变器、交流电缆、配电柜、变压器等组成,其中支架不带电,自然不会产生电磁干扰。光伏组件和直流电缆,里面是直流电流,方向没有变化,只能产生电场,不能产生磁场。输出变压器虽然是交流电,但频率很低,只有50Hz,产生的磁场很低。

光伏逆变器作为一个电力电子设备,开关频率较高,组串式逆变器通常达20K左右,电流也比较大,如果不采取措施,就会有很大的电磁干扰,会产生运行不稳定,逆变器周边的某个仪器或者设备会出现不能正常工作的现象。

判断光伏逆变器的电磁兼容做得好不好,主要看三个方面,一是不能对外界的设备造成干扰,二是外界的干扰不能影响逆变器的运行,三是不能自己干扰自己,后两者是逆变器的可靠性体现。如果电磁干扰做得不好,轻则运行不稳或者重启,重则停机甚至炸机。

  逆变器电磁兼容型式试验

3、逆变器如何消除电磁干扰传输途径

系统要发生电磁兼容性问题,必须存在三个因素,即电磁骚扰源、耦合途径、敏感设备。在遇到电磁兼容问题时,要从这三个因素入手,对症下药,消除其中某一个因素,就能解决电磁兼容问题。逆变器的磁骚扰源是高频变化的功率开关电路,这是没有办法消除的;敏感设备是外部的,不受逆变器控制;所以最关键是切断耦合途径。电磁干扰传输途径有传导和辐射两种方式,所用方法有屏蔽(隔离)、滤波和接地3种方法。

(1)屏蔽(隔离)

主要运用各种导电材料,制造成各种壳体并与大地连接,以切断通过空间的静电耦合、感应耦合或交变电磁场耦合形成的电磁噪声传播途径,屏蔽能够有效的抑制通过空间传播的电磁干扰。采用屏蔽的目的有两个,一个是限制内部的辐射电磁能量外泄出控制区域,另一个就是防止外来的辐射电磁能量入内部控制区,逆变器采用铝或者铁等导体全金属封装,达到屏蔽的效果。

为了减少导线上的辐射干扰,通常会在大电流导线和输入输出导线,如滤波电感的连接线上加磁环,防止干扰信号向外传输。

隔离主要运用继电器、隔离变压器或光电隔离器等器件来切断电磁噪声以传导形式的传播途径,其特点是将两部分电路的地线系统分隔开来,切断通过阻抗进行耦合的可能。

(2)滤波在逆变器的输入接口和输出接口,均设计有EIM滤波器,其目的是控制EMI传导干扰,只允许直流和工频的理想低通电流通过,它同时又是一种双向滤波器,既可以避免逆变器向外部发出噪声干扰,同时又可以抑制外部干扰引入系统,滤波器包括X电容、Y电容、共模电感。共模电感是在同一个磁环上,由绕向相反、匝数相同的两个绕组组成,使流经过绕组时产生的磁场同相叠加,对干扰电流呈现较大的感抗,以此来抑制共模干扰,共模电容将共模电流不经过电网直接引入大地。

(3)接地

不论采用何种方法抑制EMI干扰,最终都要通过接地把静电泄放,因此逆变器的接地非常重要。接地包括接地、信号接地等。接地体的设计、地线的布置、接地线在各种不同频率下的阻抗等不仅涉及产品或系统的电气安全,而且关联着电磁兼容和其测量技术。

4、逆变器消除自身内部的电磁干扰

逆变器内部要注意两方面的电磁干扰问题,一是PCB板的电磁兼容性,二是主回路的电磁兼容性。PCB板常用的电磁兼容性设计的方法有:选择合理的导线宽度,导线尽可能短,采用正确的布线策略,最好采用井字形网状布线结构,一面横向,另一面纵向,交叉孔用金属化孔相连,配置去耦电容。弱电方面,检测电路控制电路采用RC滤波设计。强电方面,主回路方法有:采用合适的缓冲电路或者软开关电路,利用叠层母排技术减少分布式电容;软件方面可以采用数字滤波技术。

  PCB板电磁兼容设计

目前工业用光伏逆变器(集中式和大型组串式)满足A类环境使用要求。户用型的光伏逆变器(即组串式光伏逆变器)都是满足B类环境使用标准的。所以只要是选择了正规厂家已取得相关认证的逆变器,就不用担心逆变器电磁辐射问题。

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