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某光伏逆变器EMC电磁兼容整改案例分析

光伏逆变器是应用在太阳能光伏发电领域的专用逆变器,它可以将太阳能电池产生的直流电通过电力电子变换技术转换为能够直接并入电网、负载的交流能量,是光伏系统中不可缺少的核心部件。光伏并网逆变器作为光伏电池与电网的接口装置,将光伏电池的电能转换成交流电能并传输到电网上,在光伏并网发电系统中起着至关重要的作用。

光伏并网逆变器的定义

光伏并网逆变器又称电源调整器,根据逆变器在光伏发电系统中的用途可分为独立型电源用和并网用二种。

根据波形调制方式又可分为方波逆变器、阶梯波逆变器、正弦波逆变器和组合式三相逆变器。

对于用于并网系统的逆变器,根据有无变压器又可分为变压器型逆变器和无变压器型逆变器。

光伏并网逆变器的工作原理

逆变器将直流电转化为交流电,若直流电压较低,则通过交流变压器升压,即得到标准交流电压和频率。对大容量的逆变器,由于直流母线电压较高,交流输出一般不需要变压器升压即能达到220V,在中、小容量的逆变器中,由于直流电压较低,如12V、24V,就必须设计升压电路。

中、小容量逆变器一般有推挽逆变电路、全桥逆变电路和高频升压逆变电路三种,推挽电路,将升压变压器的中性插头接于正电源,两只功率管交替工作,输出得到交流电力,由于功率晶体管共地边接,驱动及控制电路简单,另外由于变压器具有一定的漏感,可限制短路电流,因而提高了电路的可靠性。其缺点是变压器利用率低,带动感性负载的能力较差。

全桥逆变电路克服了推挽电路的缺点,功率晶体管调节输出脉冲宽度,输出交流电压的有效值即随之改变。由于该电路具有续流回路,即使对感性负载,输出电压波形也不会畸变。该电路的缺点是上、下桥臂的功率晶体管不共地,因此必须采用专门驱动电路或采用隔离电源。另外,为防止上、下桥臂发生共同导通,必须设计先关断后导通电路,即必须设置死区时间,其电路结构较复杂。

1. 光伏逆变器简介
光伏逆变系统负责将光伏板产生的直流电转变为交流电输入电网或直接供给负荷,其结构包括DC/AC主电路以及DC/DC转换电路、变压器、检测单元和控制器等外围辅助装置,如图1所示。为了保证光伏发电的稳定性和高效性,光伏逆变通常具备最大功率点跟踪(MPPT)、电压频率和相位调制、防孤岛和低电压穿越等功能。

光伏逆变器的分类方式多种多样。根据逆变器的输出波形可分为方波逆变器、阶梯波逆变器和正弦波逆变器;根据逆变控制方式可分为调频式(PFM)逆变器和调脉宽式(PWM)逆变器;根据逆变器输出相数可分为单相逆变器和三相逆变器等。本文根据逆变系统直流侧所连接的光伏阵列、光伏组串和光伏组件的区别,将光伏逆变器分为集中式逆变器、组串式逆变器和组件模块。

图1.1 光伏逆变系统

2. 整改案例

2.1 光伏逆变器直流侧共模电压干扰整改(应用现场故障诊断)

(1) 故障简介

本案例中的光伏电站由20个1 MWp光伏发电子系统组成,每个发电子系统的电能汇至10 kV的母线后,经一台容量为25000 kVA升压并网变压器升压至110 kV,以1回110 kV线路送至站外220 kV变电站的110 kV侧并入电网。该电站光伏方阵内共安装280台智能光伏汇流箱(16支路)、40台500 kW光伏逆变器及20台箱式变压器。其中每7台智能光伏汇流箱间通信线以“菊花链”方式接入综自数据通信柜中,光伏汇流箱采用RS-485串行通信标准。光伏汇流箱间通信线采用屏蔽层单点接地方式连接,如图2.1所示。

图2.1 通信线“菊花链”接线方式

在并网发电两个月期间,与某品牌光伏逆变器电气互连的个别光伏汇流箱内出现通信回路过电压保护器件放电管持续闪烁放电情况,甚至引起放电管损坏及印制板烧毁。据初步统计,与此品牌光伏逆变器互连并出现通信模块放电管烧损现象的光伏汇流箱占光伏汇流箱总数的50%以上。

(2) 故障分析

从现场事故的现象来看,只有部分光伏逆变器发生事故,而且是在正常工作一段时间之后才发生,因此有可能是工作过程中存在一定的干扰源,在干扰源的持续作用下,引起过电压或者过电流。为找出问题的结症,本次故障从以下几方面分析。

(2.1) 干扰源分析

某品牌单台光伏逆变器共接入7台光伏汇流箱,断开其中6台光伏汇流箱的输出断路器,并将剩余1台光伏汇流箱的通信线从通信模块电路板中拆除。此时用示波器测试,光伏汇流箱正、负母线对地交流电压幅值分别为516.0 VAC、480.0 VAC,二次通信回路A、B端对地电压幅值分别为239.0 VAC(58.32 kHz)、192.0 VAC(2.316 MHz)。断开该汇流箱内输出断路器,再测试母线正负极对地、通信回路A、B端对地,未检测到交流电压。因此,可初步判定交流谐波干扰来源来自逆变器运行过程中产生的共模电压。共模电压主要来源方式是由外界电磁场在电缆中的所有导线上感应出来的电压,这个电压产生干扰电流;另一个原因是由于电缆两端的设备所接地电位的存在,在这个地电压的驱动下产生电流;第三个原因是设备的电缆与大地之间有电位差,这种电缆上也会有共模电流。

(2.2) 波形图分析

采用示波器分别对光伏汇流箱正、负母线对地及通信回路A、B端对地进行测试,具体结果如图2.2-图2.5所示。

图2.2 母线正极对地电压波形图
图2.3 母线负极对地电压波形图
图2.4 通信回路A端对地电压波形图
图2.5 通信回路B端对地电压波形图

(2.3) 交流干扰源耦合到通信回路路径分析

光伏逆变器开关管工作过程中会对地产生共模电压,由于某品牌光伏逆变器未对此共模电压进行有效抑制,导致共模电压从光伏逆变器直流侧传到汇流箱正负母线,经电源模块输出、断路器辅助触点开入、测量板电压测量回路3种途径耦合到通信回路,经测试主要路径为电源模块输出、断路器辅助触点开入。放电管在上升陡度低于100 V/s的电压作用下,开始放电的平均电压值为60 V,放电管在1 kV/μs上升陡度的瞬时电压脉冲作用下,开始放电的电压值为700 V,由于耦合到通信回路的共模电压峰值及上升速度满足放电管动作条件,致使放电管持续闪烁放电,最终导致放电管损坏并烧毁印制板。

(3) 现场整改措施及验证

(3.1) 整改措施

由于该电站光伏逆变器侧暂无法采取有效抑制共模电压的方案,根据如上结论,该电站组织将所有光伏汇流箱间的通信线接线方式由“屏蔽层单点接地”改为“屏蔽层多点接地”。

(3.3) 测试内容

用YTC2571数字接地电阻测试仪抽测了部分方阵光伏逆变器箱房和光伏汇流箱接地电阻;用MDO3104泰克数字示波器抽测了2#和9#光伏方阵,其中2#方阵全部完成接地改造,9#方阵未进行接地改造。分别对这两个方阵进行通信柜内数据测试和部分汇流箱内数据测试。

(3.4) 测试结果

如图2.6所示,采用单点接地方式。经测量显示,近接地端共模干扰信号幅值较小,峰峰值为10 V左右;远接地端共模干扰信号幅值较大,峰峰值为400 V左右,频率为几k到几百k。采用多点接地方式时,且只有1台汇流箱接地。共模干扰信号明显减小,共模干扰信号峰峰值为40 V左右,如图2.7所示。

图2.9采用多点接地方式,且7台汇流箱全部接地。共模干扰信号峰峰值为10 V左右,如图15所示。

图2.6 光伏汇流箱单点接地示意图
图2.7 多点接地,仅一台汇流箱接地,通信回路对地波形图
图2.8 汇流箱多点接地示意图
图2.9 7台汇流箱全部多点接地,通信回路对地波形图

现场改造方案采用多点接地方式,且每串汇流箱通信屏蔽全部接地。经过验证,该方案能有效降低通信线上的共模干扰,干扰电压峰峰值400 V左右降低为10 V左右。采用多点接地方式时,通信线屏蔽层电流峰峰值为1 A左右,经过现场检测验证及运行,再无放电管闪烁及损坏的现象发生,很好地处理了共模电压干扰引起的光伏发电事故。

2.2 光伏逆变器的传导发射超标整改(实验室整改)

(1) 摸底测试结果

对某公司生产的17 kW光伏逆变器进行传导发射测试,初次测量结果如图2.10所示,可看出高频段较好,但低频段超出较高,最高发射电平准峰值(QP)可达125 dBμV,超出限值约 60 dB。传导发射测试中电源端口 L1 与 L2、L3、N线测试结果的趋势大体一致,因此首先考虑单根线的测试及整改,在单根线通过后进行完整的测试,来评价测试时样品的EMC性能。

图2.10 L1线摸底测试结果

(2) 电源端传导发射超标分析

光伏逆变器属于带开关电源和数字电路的电子产品,进行传导发射符合一定规律。

1) 开关电源或DC/DC变换工作在脉冲状态,它们本身会产生很强的干扰,这种干扰既有共模的,也有差模的,对于一般开关电源和变换器,在1 MHz以下以差模为主,在1 MHz以上以共模为主。这种干扰会反向传输到电源线上向外发射。

2) 数字电路的工作电流是瞬变的,虽然在每个电路芯片的旁边和线路板上都安装了去耦电容,但仍有一部分瞬变电流沿电源线向外发射。

3) 机箱内的线路板、电缆都是辐射源,这些辐射能量会感应进电源线和电源电路本身,形成传导发射。需要注意的是,当机箱内各种频率的信号耦合进电源电路时,由于电源内有许多二极管、三极管等非线性器件,会使这些不同频率的信号相互发生混频、调制,甚至对干扰进行放大,并反向沿着电源线向外发射,从而导致严重干扰。

(3) 整改措施及测试结果对比

通过测试数据分析,低频段0.15~3 MHz超标严重,初步判定可能是电源线和地线之间产生的共模干扰。首先从处理地线、直流输入口、交流输出口入手。方案一将逆变器放置于实验室地面上,缩短接地线,同时在直流输入口和交流输出口的第一级滤波位置增加0.33 μF的Y电容和两级共模电感,测试结果见图2.11。

图2.11 方案一的测试结果

从图3可知,干扰有改善,但是低频段处仍然超出。因此提出方案二将直流输入口和交流输出口的Y电容换成1 μF,并在直流输入口和交流输出口第二级共模电感后也加1 μF的Y电容,测试结果见图2.12。 从图2.12可知,在输入、输出端的第二级再加1 μF的Y电容后,只有低频段 150~500 kHz 处超出,且最大值在100 dB左右。后续方案则需要考虑滤除差模噪声。

图2.12 方案二的测试结果

方案三是在直流输入口和交流输出口第一、二级共模电感后面 L1、L2、L3 对N相加入10 μF的X电容,并在输出线上套3个VAC的超微晶磁环。将逆变器自身交流输出口的滤波器(不接地)进线端套2个大的铁硅铝磁环,缠绕多匝;在交流输出端加第三级共模电感,测试结果见图2.13。

图2.13 方案三的测试结果

上述方案整改采用了多级滤波,用到了体积大的电感,容值很大的Y电容,在实际产品研发生产时,并不能照搬方案进行设计,整改方案在成品基础上执行,存在很大的局限性,因此,EMC应当从研发阶段开始考虑,在源头,路径等方面去做好设计,避免在后期样机测试时出现难以整改通过,或为了整改而整改的情况。

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