家用光伏逆變器的CQC及CE認(rèn)證

學(xué)號(hào)：

0121111350421畢業(yè)設(shè)計(jì)題目家用光伏逆變器的CQC及CE認(rèn)證學(xué)院自動(dòng)化專業(yè)電氣工程及其自動(dòng)化班級(jí)電氣1104班姓名雷李軍指導(dǎo)教師黃亮2015年月日學(xué)位論文原創(chuàng)性聲明本人鄭重聲明：所呈交的論文是本人在導(dǎo)師的指導(dǎo)下獨(dú)立進(jìn)行研究所取得的研究成果。除了文中特別加以標(biāo)注引用的內(nèi)容外，本論文不包括任何其他個(gè)人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫的成果作品。本人完全意識(shí)到本聲明的法律后果由本人承擔(dān)。作者簽名：年月日學(xué)位論文版權(quán)使用授權(quán)書本學(xué)位論文作者完全了解學(xué)校有關(guān)保障、使用學(xué)位論文的規(guī)定，同意學(xué)校保留并向有關(guān)學(xué)位論文管理部門或機(jī)構(gòu)送交論文的復(fù)印件和電子版，允許論文被查閱和借閱。本人授權(quán)省級(jí)優(yōu)秀學(xué)士論文評(píng)選機(jī)構(gòu)將本學(xué)位論文的全部或部分內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行檢索，可以采用影印、縮印或掃描等復(fù)制手段保存和匯編本學(xué)位論文。本學(xué)位論文屬于1、保密囗，在年解密后適用本授權(quán)書2、不保密囗。（請(qǐng)?jiān)谝陨舷鄳?yīng)方框內(nèi)打“√”）作者簽名：年月日導(dǎo)師簽名：年月日摘要隨著社會(huì)的進(jìn)步和科技的發(fā)展，當(dāng)今世界的主要能源石油資源已日趨枯竭，能源短缺問題已成為主要問題，尋找一種可替代的能源已迫在眉睫。太陽能作為一種可再生清潔能源，以其取之不盡，用之不竭的優(yōu)點(diǎn)，在今后的日常生活中必將占據(jù)至關(guān)重要的地位。但是太陽能過于分散，為了更有效地利用太陽能，家用太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)必將得到廣泛使用，而逆變器作為太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)的核心配件將具有無可比擬的重要作用。歐盟和中國作為最主要的能源消耗地區(qū)，對(duì)家用太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)都有較為深刻的認(rèn)識(shí)，并且對(duì)光伏系列產(chǎn)品均有較為完善的認(rèn)證體系。中國以CQC認(rèn)證為主，而歐盟則以CE認(rèn)證為主，兩者作為世界上最主要的認(rèn)證體系，對(duì)家用光伏逆變器的發(fā)展有著不可小覷的影響。因此，研究家用光伏逆變器的CQC及CE認(rèn)證顯得至關(guān)重要。本文研究了國內(nèi)外逆變器的研究現(xiàn)狀以及CQC及CE認(rèn)證的要求，并著重研究了CQC及CE認(rèn)證對(duì)光伏并網(wǎng)逆變器的EMC要求以及兩者的不同之處，同時(shí)也研究了光伏逆變器的孤島效應(yīng)產(chǎn)生、危害，以及孤島檢測的原理、盲區(qū)及方法。最后著重對(duì)雙向轉(zhuǎn)換電源進(jìn)行了EMC設(shè)計(jì)，主要是濾波設(shè)計(jì)使其符合CQC及CE認(rèn)證的要求，其中包括了直流側(cè)濾波器、交流側(cè)濾波器以及EMI濾波器，并對(duì)它們的基本原理、種類等進(jìn)行了說明。關(guān)鍵詞：光伏逆變器；CQC認(rèn)證;CE認(rèn)證；濾波AbstractWiththedevelopmentofsocietyandtheprogressofthescienceandtechnology,theworldmainoilenergyresourceshasbecomeincreasinglydepleted,energyshortagehasbecomemainproblems,theurgentneedtofindanalternativesourceofenergy.Solarenergyasacleanandrenewableenergy,withitsinexhaustible,inexhaustibleadvantages,inthedailylifeofthefutureisboundtooccupyaveryimportantposition.Butsolarenergyaretooscattered,inordertomakemoreeffectiveuseofsolarenergy,householdsolarphotovoltaicpowergenerationsystemwillgetwidelyused.Theinverterasthecorepartsofthesolarphotovoltaicpowergenerationsystemwillhaveanincomparablerole.TheEUandChinaasthemainenergyconsumptionareas,tohouseholdsolarphotovoltaicpowergenerationsystemhaveamoreprofoundunderstandingof,andofPVserieshasarelativelyperfectsystemcertification.ChinatotheCQCcertification,theEUCEcertificationmainly,bothastheworldthemaincertificationsystem,thedevelopmentofhouseholdphotovoltaicinverterhasacrucialimpact.Therefore,theresearchontheCQCandCEauthenticationofthehouseholdphotovoltaicinverterisveryimportant.IsstudiedinthispaperresearchstatusathomeandabroadoftheinverterandtherequirementsofCQCandCEcertification,andfocusesonthestudyoftheCQCandCEcertificationofphotovoltaicgridconnectedinverterEMCrequirementsanddifferencesofthetwo,atthesametime,theislandingofphotovoltaicinverterproduction,harm,andtheprincipleofislandingdetection,blindareaandmethod.Finallyemphaticallythebi-directionalswitchingpowersupplywereEMCdesign,mainlyisfilterdesigntomeettheCQCandCEcertificationrequirements,includingDCsidefilter,ACsidefilterandEMIfilter,anddescribesthebasicprincipleandkindsofthem.KeyWords：Photovoltaicinverter；CQCcertification；CEcertification；Wavefiltering目錄第一章緒論 對(duì)6kw功率48VDC/220VAC雙向轉(zhuǎn)換電源進(jìn)行CQC及CE認(rèn)證研究，并且分別查找到了CQC認(rèn)證及CE認(rèn)證的標(biāo)準(zhǔn)文件，并對(duì)現(xiàn)有的48VDC/220VAC雙向轉(zhuǎn)換電源進(jìn)行EMC設(shè)計(jì)，主要是濾波設(shè)計(jì)，使產(chǎn)品基本符合CQC及CE標(biāo)準(zhǔn)認(rèn)證要求。第二章光伏逆變器的CQC及CE認(rèn)證2.1認(rèn)證的重要性中國光伏產(chǎn)業(yè)發(fā)展很迅速，已成為繼歐洲和日本之后的世界第三大光伏產(chǎn)品生產(chǎn)國。中國政府對(duì)光伏發(fā)電的發(fā)展也非常重視，近幾年，國家發(fā)改委實(shí)施了“光明工程”、“送電到鄉(xiāng)”等工程項(xiàng)目，各級(jí)地方政府也陸續(xù)啟動(dòng)了光伏照明項(xiàng)目用以支持我國光伏產(chǎn)品的推廣。與此同時(shí)，偏遠(yuǎn)地區(qū)的消費(fèi)者也逐步認(rèn)可了光伏產(chǎn)品，越來越多的居民開始使用家用太陽能電源等產(chǎn)品。可以說，在各方的努力和支持下，中國的光伏應(yīng)用市場發(fā)展的極為迅速。但是，在光伏產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展的背后，劣質(zhì)光伏產(chǎn)品的肆意橫行成為行業(yè)發(fā)展的重大隱患。隨處可見許多不具備條件的光伏企業(yè)借此機(jī)會(huì)，在消費(fèi)者尚不具備辨別產(chǎn)品優(yōu)劣的情況下，依靠虛假宣傳、低廉的價(jià)格，用劣質(zhì)的光伏組件與正規(guī)的生產(chǎn)企業(yè)競爭，嚴(yán)重破壞了市場秩序，損害了消費(fèi)者的利益，光伏行業(yè)的形象也因此遭受了嚴(yán)重的打擊，長此以往，必將影響整個(gè)行業(yè)的健康發(fā)展。與國內(nèi)形成鮮明對(duì)比的是，國外的光伏認(rèn)證體系現(xiàn)已經(jīng)發(fā)展成熟，認(rèn)證結(jié)果被廣泛的采納，我國的光伏企業(yè)生產(chǎn)的產(chǎn)品銷售到國外首先需要獲得相應(yīng)的認(rèn)證資質(zhì)，否則產(chǎn)品將很難被客戶接受。這樣，不僅加重了我國企業(yè)的經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)，而且還可能因?yàn)檎J(rèn)證的周期過長的原因，使企業(yè)錯(cuò)失商機(jī)，嚴(yán)重影響未來發(fā)展。因此，建立一套適合我國國情的、科學(xué)合理的光伏產(chǎn)品認(rèn)證體系，同時(shí)適時(shí)采用國外相對(duì)成熟的認(rèn)證體系，對(duì)規(guī)范市場和保證太陽能光伏產(chǎn)業(yè)健康有序的發(fā)展，打破國際技術(shù)性貿(mào)易壁壘，將起到至關(guān)重要的作用[20]。2.2光伏逆變器的CQC認(rèn)證2.2.1認(rèn)證模式光伏并網(wǎng)逆變器的認(rèn)證模式為：產(chǎn)品型式試驗(yàn)+初次工廠檢查+獲證后監(jiān)督[21]。認(rèn)證的基本環(huán)節(jié)包括：a.認(rèn)證的申請(qǐng)b.產(chǎn)品型式試驗(yàn)c.初始工廠檢查d.認(rèn)證結(jié)果評(píng)價(jià)和批準(zhǔn)e.獲證后的監(jiān)督2.2.2對(duì)逆變器電性能的要求CNCA/CTS0004－2009A《并網(wǎng)光伏發(fā)電專用逆變器認(rèn)證技術(shù)條件》對(duì)逆變器的電性能規(guī)定如下[22-26]:1)轉(zhuǎn)換效率。無變壓器型逆變器最大轉(zhuǎn)換效率應(yīng)不低于96%，含變壓器型逆變器最大轉(zhuǎn)換效率應(yīng)不低于94%。2)并網(wǎng)電流諧波。輸出電壓波形畸變率及各次諧波滿足國標(biāo)GB/T14549－1993《電能質(zhì)量－公用電網(wǎng)諧波》的要求;逆變器額定功率運(yùn)行時(shí)，注入電網(wǎng)的電流諧波總畸變率限值為5%。3)功率因數(shù)。當(dāng)逆變器輸出有功功率大于其額定功率的50%時(shí)，功率因數(shù)不小于0.98(超前或滯后);輸出有功功率在20%～50%時(shí)，功率因數(shù)不小于0.95(超前或滯后)。4)電網(wǎng)電壓響應(yīng)。逆變器對(duì)異常電壓的反應(yīng)時(shí)間應(yīng)滿足表2.1的要求，在電網(wǎng)電壓恢復(fù)到允許的電壓范圍時(shí)逆變器應(yīng)能正常啟動(dòng)運(yùn)行。表2.1逆變器對(duì)異常電壓的反應(yīng)電壓U(交流電壓輸出端)允許最大跳閘時(shí)間/sU＜0.5×U正常0.10.5×U正常＜U＜0.85×U正常2.0U=0.85×U正常繼續(xù)運(yùn)行V(U=1.1×U正常)繼續(xù)運(yùn)行1.1×U正常＜U＜1.35×U正常2.01.35×U正常＜U0.055)電網(wǎng)頻率響應(yīng)。電網(wǎng)頻率在額定頻率變化時(shí)，逆變器的工作狀態(tài)應(yīng)滿足表2.2的要求表2.2電網(wǎng)頻率響應(yīng)頻率/Hz逆變器響應(yīng)＜48逆變器0.2s停止運(yùn)行48～49.5逆變器運(yùn)行10miin后停止運(yùn)行49.5～50.2逆變器正常運(yùn)行50.2～50.5逆變器運(yùn)行2min后停止運(yùn)行，此時(shí)處于停運(yùn)狀態(tài)的逆變器不得并網(wǎng)＞50.5逆變器運(yùn)行0.2s內(nèi)停止運(yùn)行，此時(shí)處于停運(yùn)狀態(tài)的逆變器不得并網(wǎng)6)電壓不平衡度。輸出電壓三相不平衡度滿足國標(biāo)GB/T15543－2008《電能質(zhì)量－三相電壓允許不平衡度》的要求。7)直流分量。并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)，光伏逆變器向電網(wǎng)饋送的直流電流不應(yīng)大于逆變器輸出電流額定值的0.5%。8)防孤島效應(yīng)。逆變器應(yīng)具有孤島防護(hù)功能，并在電網(wǎng)失壓時(shí)能在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)與電網(wǎng)斷開。2.2.3設(shè)備要求進(jìn)行光伏并網(wǎng)逆變器認(rèn)證時(shí)，需要有一定的設(shè)備條件。為滿足標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的測試項(xiàng)目要求，測試機(jī)構(gòu)需具備專業(yè)的儀器設(shè)備，如電能質(zhì)量分析儀、模擬交流電網(wǎng)、防孤島效應(yīng)檢測設(shè)備、低電壓穿越檢測設(shè)備、接觸電流測試儀、絕緣電阻測試儀、直流穩(wěn)壓電源、高低溫交變濕熱試驗(yàn)箱、溫升測試設(shè)備等。根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求，逆變器的制造單位最好也具備以上測試儀器，以便能隨時(shí)了解樣機(jī)的性能指標(biāo)。檢測機(jī)構(gòu)也可以利用逆變器制造單位的測試儀器對(duì)樣機(jī)進(jìn)行現(xiàn)場測試或目擊測試等[27]。2.3光伏逆變器的CE認(rèn)證為了爭取順利進(jìn)入德國和意大利等歐盟主要光伏市場，國內(nèi)光伏產(chǎn)品制造商必須通過歐盟的CE認(rèn)證。光伏產(chǎn)品所涉及的新方法指令主要有低電壓指令和電磁兼容指令，需依據(jù)OJEU協(xié)調(diào)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行測試以證明其符合相關(guān)指令要求，并取得CE認(rèn)證[28]。2.3.1低電壓指令低電壓電氣指令2006/95/EC覆蓋了所有標(biāo)稱供電交流電壓為50～1000V和所有標(biāo)稱直流電壓為75～1500V的電氣產(chǎn)品，其目標(biāo)是確保電氣設(shè)備綜合安全、設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)安全以及信息安全。協(xié)調(diào)標(biāo)準(zhǔn)是由歐洲標(biāo)準(zhǔn)化組織所制定并在歐盟官方公告上公布的歐洲標(biāo)準(zhǔn)，是歐洲標(biāo)準(zhǔn)中具有法律效力的技術(shù)規(guī)范，但又保持著自愿采用的地位。光伏產(chǎn)品LVD指令的協(xié)調(diào)標(biāo)準(zhǔn)參見表2.3。表2.3低電壓指令下光伏產(chǎn)品的協(xié)調(diào)標(biāo)注標(biāo)準(zhǔn)號(hào)標(biāo)題EN60269-6：2011低壓熔斷器．光伏型太陽能源系統(tǒng)保護(hù)用熔斷連桿的補(bǔ)充要求EN61730-1：2007光電(PV)模件安全合格鑒定第一部分：結(jié)構(gòu)要求EN61730-2：2007光電(PV)模塊安全鑒定一第2部分：試驗(yàn)要求EN62109-1：2010光伏電力系統(tǒng)用電源轉(zhuǎn)換器的安全性．第l部分：一般要求EN62109-2：2011光伏電力系統(tǒng)用電力變流器的安全．第2部分：反用換流器的特殊要求2.3.2電磁兼容指令電磁兼容指令(2004/l08/EC)包含了電磁干擾(EMI)和抗干擾(EMS)兩方面。鑒于目前歐盟對(duì)于光伏產(chǎn)品并沒有頒布相應(yīng)的電磁兼容專有標(biāo)準(zhǔn)，而只能采用通用標(biāo)準(zhǔn)。目前，OJEU中提到的應(yīng)用于PV逆變器的通用標(biāo)準(zhǔn)如表3.4所示。輕工業(yè)通標(biāo)偏重于產(chǎn)品對(duì)外界的輻射限定，在電磁波發(fā)射方面限500kw、250kW產(chǎn)品一般使用環(huán)境為重工業(yè)環(huán)境，應(yīng)采用重工業(yè)通標(biāo)；20kw、5kw等小功率產(chǎn)品一般使用環(huán)境為商業(yè)或者輕工業(yè)環(huán)境，則應(yīng)當(dāng)采用輕工業(yè)通標(biāo)。表3.4電磁兼容指令下光伏產(chǎn)品的協(xié)調(diào)標(biāo)注標(biāo)準(zhǔn)號(hào)標(biāo)題EN61000-6-1：2007電磁兼容性（EMC)-第6-1部分：通用標(biāo)準(zhǔn).住宅，商業(yè)和輕工業(yè)環(huán)境的抗擾度EN61000-6-2：2007電磁兼容性（EMC)-第6-2部分：通用標(biāo)準(zhǔn).準(zhǔn)居住．商業(yè)和輕工業(yè)環(huán)境用發(fā)射標(biāo)準(zhǔn)EN61000-6-3：2007電磁兼容性（EMC)-第6-3部分：通用標(biāo)準(zhǔn).準(zhǔn)工業(yè)環(huán)境的抗擾度EN61000-6-4：2007電磁兼容性（EMC)-第6-4部分：通用標(biāo)準(zhǔn).工業(yè)環(huán)境的發(fā)射標(biāo)準(zhǔn)2.3.3認(rèn)證模式CE認(rèn)證的合格評(píng)定可細(xì)分為8種基本模式,即生產(chǎn)內(nèi)部控制、EEC型式檢驗(yàn)、符合型式要求、生產(chǎn)質(zhì)量保證、產(chǎn)品質(zhì)量保證、產(chǎn)品驗(yàn)證、單件驗(yàn)證及正式質(zhì)量保證。這些不同的模式結(jié)合在一起可形成一個(gè)完整的程序。每個(gè)新方法指令中都規(guī)定了適用的合格評(píng)定程序的范圍和內(nèi)容。通常情況下,合格評(píng)定程序在設(shè)計(jì)和生產(chǎn)階段發(fā)揮作用,有的模式只涉及生產(chǎn)階段,有的模式涉及到設(shè)計(jì)階段和生產(chǎn)階段,其目的就是要求制造商采取一切必要的措施保證其產(chǎn)品合格。產(chǎn)品符合協(xié)調(diào)標(biāo)準(zhǔn)或經(jīng)過適當(dāng)?shù)暮细裨u(píng)定程序,即可加貼“CE”標(biāo)志[29]。(一)工廠自我控制和認(rèn)證。ModuleA(內(nèi)部生產(chǎn)控制):1.用于簡單的、大批量的、無危害產(chǎn)品,僅適用應(yīng)用歐洲標(biāo)準(zhǔn)生產(chǎn)的廠家。2.工廠自我進(jìn)行合格評(píng)審,自我聲明。3.技術(shù)文件提交國家機(jī)構(gòu)保存10年,在此基礎(chǔ)上,可用評(píng)審和檢查來確定產(chǎn)品是否符合指令,生產(chǎn)者甚至要提供產(chǎn)品的設(shè)計(jì)、生產(chǎn)和組裝過程供檢查。4.不需要聲明其生產(chǎn)過程能始終保證產(chǎn)品符合要求。ModuleA:1.廠家未按歐洲標(biāo)準(zhǔn)生產(chǎn)。2.測試機(jī)構(gòu)對(duì)產(chǎn)品的特殊零部件作隨機(jī)測試。(二)由測試機(jī)構(gòu)進(jìn)行評(píng)審。ModuleB(EC型式評(píng)審):工廠送樣品和技術(shù)文件到它選擇的測試機(jī)構(gòu)供評(píng)審,測試機(jī)構(gòu)出具證書。注:僅有B不足于構(gòu)成CE的使用。ModuleC(與型式[樣品]一致)+B:工廠作一致性聲明(與通過認(rèn)證的型式一致),聲明保存10年。ModuleD(生產(chǎn)過程質(zhì)量控制)+B:本模式關(guān)注生產(chǎn)過程和最終產(chǎn)品控制,工廠按照測試機(jī)構(gòu)批準(zhǔn)的方法(質(zhì)量體系,EN29003)進(jìn)行生產(chǎn),在此基礎(chǔ)上聲明其產(chǎn)品與認(rèn)證型式一致(一致性聲明)。ModuleE(產(chǎn)品質(zhì)量控制)+B:本模式僅關(guān)注最終產(chǎn)品控制(EN29003),其余同ModuleD。ModuleF(產(chǎn)品測試)+B:工廠保證其生產(chǎn)過程能確保產(chǎn)品滿足要求后,作一致性聲明。認(rèn)可的測試機(jī)構(gòu)通過全檢或抽樣檢查來驗(yàn)證其產(chǎn)品的符合性。測試機(jī)構(gòu)頒發(fā)證書。ModuleG(逐個(gè)測試):工廠聲明符合指令要求,并向測試機(jī)構(gòu)提交產(chǎn)品技術(shù)參數(shù),測試機(jī)構(gòu)逐個(gè)檢查產(chǎn)品后頒發(fā)證書ModuleH(綜合質(zhì)量控制):本模式關(guān)注設(shè)計(jì)、生產(chǎn)過程和最終產(chǎn)品控制(EN29001)。其余同ModuleD+ModuleE。其中,模式F+B,模式G適用于危險(xiǎn)度特別高的產(chǎn)品。2.3.4CE認(rèn)證流程制造廠商透過在產(chǎn)品貼上CE標(biāo)志的方式,標(biāo)明此項(xiàng)產(chǎn)品完全符合歐盟指令的相關(guān)規(guī)定。如果規(guī)定允許,CE標(biāo)志也可標(biāo)示在包裝或隨附文件上。CE標(biāo)志幷非測試標(biāo)志,只是標(biāo)明此制造廠商宣示其產(chǎn)品符合所有相關(guān)的法規(guī)，CE認(rèn)證流程如圖2.1所示。圖2.1CE認(rèn)證流程圖第三章CQC及CE認(rèn)證對(duì)光伏并網(wǎng)逆變器的EMC要求目前，光伏并網(wǎng)逆變器的設(shè)備認(rèn)證實(shí)施規(guī)則已經(jīng)制定完成，有關(guān)的檢測機(jī)構(gòu)已經(jīng)具備了相應(yīng)的測試能力，認(rèn)證工作已經(jīng)全面開始。并網(wǎng)光伏逆變器設(shè)備認(rèn)證得到我國和部分國家光伏行業(yè)認(rèn)同。而歐盟對(duì)并網(wǎng)光伏逆變器設(shè)備認(rèn)證中的EMC要求目前還沒有單獨(dú)的規(guī)范，因此現(xiàn)在出口到歐盟的光伏并網(wǎng)逆變器設(shè)備依據(jù)的檢測標(biāo)準(zhǔn)都是通用標(biāo)準(zhǔn)。3.1CE認(rèn)證對(duì)光伏并網(wǎng)逆變器的EMC要求（1）測試標(biāo)準(zhǔn)歐盟根據(jù)使用環(huán)境的不同，采取了不同的標(biāo)準(zhǔn)，主要分為“居住、商業(yè)及輕工業(yè)”和“工業(yè)”兩種應(yīng)用環(huán)境，相應(yīng)測試標(biāo)準(zhǔn)見表3.1所示。表3.1并網(wǎng)光伏逆變器CE認(rèn)證EMC測試標(biāo)準(zhǔn)（2）測試項(xiàng)目及要求用于居住、商業(yè)及輕工業(yè)環(huán)境中的逆變器發(fā)射類測試要求見表3.2；用于工業(yè)環(huán)境中的逆變器發(fā)射類測試要求見表3.3；用于工業(yè)環(huán)境中的逆變器抗擾度要求見表3.4；用于居住、商業(yè)及輕工業(yè)環(huán)境中的逆變器抗擾度要求見表3.5。表3.2用于居住、商業(yè)及輕工業(yè)環(huán)境中的逆變器發(fā)射類測試要求表3.3用于工業(yè)環(huán)境中的逆變器發(fā)射類測試要求 表3.4用于工業(yè)環(huán)境中的逆變器抗擾度要求表3.5用于居住、商業(yè)及輕工業(yè)環(huán)境中的逆變器抗擾度要求續(xù)表3.5用于居住、商業(yè)及輕工業(yè)環(huán)境中的逆變器抗擾度要求（3）抗擾度判據(jù)說明A:干擾施加過程中及干擾施加結(jié)束之后，逆變器性能或功能無異常。B:干擾施加過程中允許逆變器出現(xiàn)性能或功能暫時(shí)降低，但干擾施加結(jié)束之后應(yīng)能自行恢復(fù)正常而不需要人為干預(yù)。C:干擾施加過程中允許逆變器出現(xiàn)性能或功能暫時(shí)降低，但干擾施加結(jié)束之后不能自行恢復(fù)，需要操作人員干預(yù)才能恢復(fù)。（4）測試差異從表3.2與表3.3可以看出，在不同的應(yīng)用環(huán)境下，CE認(rèn)證對(duì)并網(wǎng)光伏逆變?cè)O(shè)備的電磁發(fā)射要求存在明顯差異，主要體現(xiàn)在以下三個(gè)方面：i.相同測試項(xiàng)目的限值有較大差異，例如：輻射發(fā)射和傳導(dǎo)發(fā)射項(xiàng)目測試，用于工業(yè)環(huán)境中的要求較低，而用于商業(yè)環(huán)境中的要求就比較高，這個(gè)差異主要是從無線接收機(jī)的使用數(shù)量及保護(hù)無線接收機(jī)的角度來考慮的；ii.用于居住、商業(yè)及輕工業(yè)環(huán)境中的逆變器對(duì)DC電源端口傳導(dǎo)發(fā)射測試項(xiàng)目有明確的要求，而用于工業(yè)環(huán)境則對(duì)這個(gè)項(xiàng)目的測試不作要求。因?yàn)榫幼　⑸虡I(yè)及輕工業(yè)環(huán)境中的一些直流設(shè)備會(huì)通過直流源集中供電，那么設(shè)備自身產(chǎn)生的干擾就會(huì)通過直流端口沿著電源線影響到其它直流設(shè)備的正常工作；iii.用于居住、商業(yè)及輕工業(yè)環(huán)境中的逆變器需要進(jìn)行諧波及閃爍項(xiàng)目測試，而用于工業(yè)環(huán)境則對(duì)這兩個(gè)項(xiàng)目測試不作要求。由于居住、商業(yè)及輕工業(yè)環(huán)境中交流用電設(shè)備都是連接到公用電網(wǎng)上，電網(wǎng)上的諧波分量大小會(huì)直接影響接入電網(wǎng)的交流用電設(shè)備能否正常工作，因此對(duì)接入公用電網(wǎng)的交流用電設(shè)備提出明確的電流諧波及電壓波動(dòng)與閃爍要求。此外，根據(jù)表3.4和表3.5可以得出，由于工業(yè)環(huán)境相對(duì)更惡劣一些，因此應(yīng)用于此環(huán)境中的設(shè)備要求抗干擾能力更強(qiáng)一些。用于居住、商業(yè)及輕工業(yè)環(huán)境中的逆變器信號(hào)端口無浪涌測試需求，而用于工業(yè)環(huán)境中的逆變器信號(hào)端口則有浪涌測試需求。3.2CQC認(rèn)證對(duì)光伏并網(wǎng)逆變器的EMC要求（1）測試標(biāo)準(zhǔn)CNCA/CTS0004-2009A《并網(wǎng)光伏發(fā)電專用逆變器技術(shù)條件》。（2）測試項(xiàng)目及要求CQC認(rèn)證對(duì)電磁發(fā)射測試的應(yīng)用環(huán)境分類與CE認(rèn)證相同，只是對(duì)應(yīng)環(huán)境下的限值要求有所差異。CQC認(rèn)證對(duì)用于居住、商業(yè)及輕工業(yè)環(huán)境中的逆變器發(fā)射類測試要求見表3.6，用于工業(yè)環(huán)境中的逆變器發(fā)射類測試要求見表3.7?？箶_度要求見表3.8。表3.6用于居住、商業(yè)及輕工業(yè)環(huán)境中的逆變器發(fā)射類測試要求表3.7用于工業(yè)環(huán)境中的逆變器發(fā)射類測試要求表3.8抗擾度要求3.3CE認(rèn)證與CQC認(rèn)證EMC要求的差異CE認(rèn)證和CQC認(rèn)證在并網(wǎng)光伏逆變器EMC要求上產(chǎn)生差異的一個(gè)非常重要的原因就是CQC認(rèn)證中采用的是專用標(biāo)準(zhǔn)，而歐盟CE認(rèn)證則采用通用標(biāo)準(zhǔn)。由于CE認(rèn)證的協(xié)調(diào)標(biāo)準(zhǔn)體系并未納入專門針對(duì)并網(wǎng)光伏逆變器設(shè)備的標(biāo)準(zhǔn)，因此，與CQC認(rèn)證相比，其EMC要求的針對(duì)性相對(duì)較弱。兩者對(duì)EMC要求的主要差別如下[30]：1）CQC認(rèn)證未對(duì)交流電源端口和直流電源端口測試單獨(dú)進(jìn)行區(qū)分，而CE認(rèn)證區(qū)分交流電源端口和直流電源端口；2）CQC認(rèn)證對(duì)諧波及閃爍發(fā)射測試項(xiàng)目不作要求，而CE認(rèn)證對(duì)此則有明確要求；3）CQC認(rèn)證對(duì)電壓跌落及中斷抗擾度測試項(xiàng)目有明確要求，而CE認(rèn)證對(duì)此則不作要求；由于逆變器設(shè)備是直流輸入、交流輸出，即輸出端一般要連接到公用電網(wǎng)上，這一點(diǎn)與傳統(tǒng)的交流供電設(shè)備是不同的，可能是基于這一點(diǎn)考慮，CQC認(rèn)證未對(duì)電壓跌落及中斷抗擾度測試項(xiàng)目測試提出要求，而CE認(rèn)證采用的是通用標(biāo)準(zhǔn)，因此對(duì)此項(xiàng)目有測試要求；4）CQC認(rèn)證對(duì)信號(hào)端口的傳導(dǎo)發(fā)射測試項(xiàng)目不作要求，而CE認(rèn)證中對(duì)此則有明確要求；5）CQC認(rèn)證對(duì)用于工業(yè)環(huán)境的逆變器浪涌抗擾度測試項(xiàng)目不作要求，而CE認(rèn)證對(duì)此則有明確要求；6）CQC認(rèn)證中對(duì)電壓波動(dòng)抗擾度測試項(xiàng)目有明確要求，而CE認(rèn)證對(duì)此則不作要求；7）CQC認(rèn)證中對(duì)阻尼震蕩波抗擾度測試項(xiàng)目有明確要求，而CE認(rèn)證對(duì)此則不作要求。第四章光伏逆變器的孤島效應(yīng)所謂孤島效應(yīng)，是指電網(wǎng)因故障而意外突然斷開后，逆變器未能在規(guī)定時(shí)間內(nèi)正確檢測出電網(wǎng)當(dāng)前狀態(tài)而仍持續(xù)工作，以致電網(wǎng)輸電線路的某一部分可能仍處于帶電狀態(tài)，這樣并網(wǎng)逆變器與負(fù)載形成一個(gè)獨(dú)立的自給供電系統(tǒng)[31]。隨著并網(wǎng)逆變器在發(fā)電系統(tǒng)中的廣泛采用，孤島效應(yīng)的發(fā)生幾率也不斷增加，而其造成的危險(xiǎn)已不容忽視。因此，能及時(shí)準(zhǔn)確檢測出孤島效應(yīng)顯得非常重要。4.1孤島效應(yīng)的產(chǎn)生及其危害如圖4.1所示，光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)主要由PV太陽能板、并網(wǎng)逆變器以及負(fù)載組成。當(dāng)電網(wǎng)跳脫，開關(guān)仍處于閉合狀態(tài)時(shí)，逆變器若持續(xù)工作，則系統(tǒng)處于孤島狀態(tài)。圖4.1光伏發(fā)電系統(tǒng)簡圖孤島效應(yīng)的產(chǎn)生可能是由以下幾種情況造成的[32]：(1)市電電網(wǎng)由于故障停止供電，并網(wǎng)逆變器卻仍通過斷路器向電網(wǎng)傳輸電能，導(dǎo)致逆變器的輸出容量遠(yuǎn)小于供電電網(wǎng)系統(tǒng)的容量，且這種狀態(tài)可能持續(xù)很長時(shí)間；(2)開關(guān)意外斷開，逆變器卻未能成功檢測，導(dǎo)致逆變器同周圍負(fù)載一起形成一個(gè)自給供電的系統(tǒng)，即孤島。孤島一旦發(fā)生，可能對(duì)整個(gè)配電系統(tǒng)設(shè)備及各用戶端設(shè)備造成不同程度的損壞，甚至存在一系列的安全事故，并且可能會(huì)帶來事故糾紛[31]：1)設(shè)備損壞(a)電網(wǎng)供電中斷后突然恢復(fù)供電時(shí)，由于孤島運(yùn)行的局部電網(wǎng)相位（頻率）與主電網(wǎng)失步，導(dǎo)致在與主電網(wǎng)再次連接時(shí)將產(chǎn)生很大的浪涌電流，相關(guān)設(shè)備將受到嚴(yán)重的損壞。(b)孤島一旦發(fā)生，電網(wǎng)將失去對(duì)電壓和頻率的控制，這可能造成用戶用電設(shè)備的損壞，電力公司也將因此而卷入“代人受過”的糾紛。2)人身安全傷害。電網(wǎng)因某種故障停止工作時(shí)，若此時(shí)逆變器仍持續(xù)不斷地工作，則輸電線路某一部分可能仍處于帶電狀態(tài)，這可能會(huì)威脅到電網(wǎng)工作人員的生命安全。因此，光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)中，反孤島方案顯得十分重要，各國也對(duì)防治孤島效應(yīng)制定了相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)。美國電氣及電子工程協(xié)會(huì)IEEE（InstituteofElectricalandElectronicsEngineers）針對(duì)與電網(wǎng)接口的“無孤島逆變器”制定了相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)。其中，光伏系統(tǒng)并網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)IEEEStd.929—2000中規(guī)定：(1)逆變器輸出有功功率與負(fù)載（品質(zhì)因數(shù)小于等于2.5）需求匹配度小于0.5，并且負(fù)載的功率因數(shù)在0.95以上，則逆變器檢測孤島是否發(fā)生的時(shí)間應(yīng)小于2s，否則將對(duì)電網(wǎng)停止供電。(2)逆變器輸出有功功率與負(fù)載需求匹配度大于0.5，或者負(fù)載的功率因數(shù)在0.95以下，則在10個(gè)周波內(nèi)，逆變器必須切斷輸出。4.2孤島檢測原理光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)如圖4.2所示，主要由光伏并網(wǎng)逆變器、負(fù)載、并網(wǎng)斷路開關(guān)和電網(wǎng)四部分組成[33]。其中，本地負(fù)載用并聯(lián)RLC電路等效替代。圖4.2光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)等效示意圖逆變器輸出的有功功率為、無功功率為；電網(wǎng)向負(fù)載提供的有功功率為、無功功率為；負(fù)載所需消耗的有功功率為、無功功率分別為。同時(shí)作如下假設(shè)：(1)并網(wǎng)逆變器按單位功率因數(shù)輸出，即電網(wǎng)頻率與RLC負(fù)載的諧振頻率相等；(2)RLC負(fù)載的品質(zhì)因數(shù)：負(fù)載消耗的無功功率與有功功率的比值，即：(3)同逆變器輸出功率完全匹配的負(fù)載參數(shù)為R、L、C，不匹配的負(fù)載為R+△R、L+△L、C+△C。當(dāng)并網(wǎng)斷路器閉合，光伏系統(tǒng)并網(wǎng)正常工作時(shí)，（4.1）（4.2）（4.3）（4.4）一旦電網(wǎng)由于出現(xiàn)故障或掉電而停止工作時(shí)，此時(shí)，RLC負(fù)載新的諧振頻率為：（4.5）由公式（4.4）、（4.5）可得：（4.6）光伏并網(wǎng)逆變器出現(xiàn)過頻（OFR）和欠頻（UFR）時(shí)的頻率值分別為、，即為繼電器在相應(yīng)時(shí)刻的動(dòng)作值。如果負(fù)載功率與逆變器輸出功率的不匹配并且滿足以下不等式時(shí)，頻率的變化沒有超出繼電器的正常工作范圍，則繼電器不動(dòng)作。（4.7）若忽略△C，即令△C=0，則：（4.8）即：（4.9）由無功功率公式得：（4.10）根據(jù)的定義，即,則上式可簡化為：（4.11）所以：（4.12）令，則：（4.13）同上，通過推導(dǎo)，能得到電壓和有功功率的關(guān)系式，過程如下：當(dāng)電網(wǎng)正常工作時(shí)，逆變器輸出功率為;孤島發(fā)生時(shí)，負(fù)載功率為，假設(shè)逆變器的輸出功率不變，則：（4.14）可簡化為：（4.15）正常工作時(shí)，電網(wǎng)提供給負(fù)載的功率為：（4.16）則負(fù)載有功功率不匹配度為：（4.17）將公式(4.15)代入上式中可得：（4.18）光伏逆變器過壓、欠壓時(shí)的電壓值分別為、，即此時(shí)繼電器的動(dòng)作值。如果電網(wǎng)由于某種原因停止工作時(shí)，負(fù)載的不匹配度滿足不等式（4.19），即電壓的變化沒超過繼電器的正常工作范圍，則繼電器不動(dòng)作。（4.19）由以上可知，電壓變化同有功功率匹配度有關(guān)，而頻率變化與無功功率的匹配度有關(guān)。當(dāng)逆變器輸出功率與RLC負(fù)載功率需求相差很大時(shí)，以致RLC負(fù)載的端電壓、頻率值超出相應(yīng)的繼電器的正常工作范圍，則繼電器將動(dòng)作，致使光伏并網(wǎng)逆變器與電網(wǎng)斷開，停止工作。反之，若逆變器輸出功率與RLC負(fù)載功率需求相差較小時(shí)，并滿足不等式(4.13)和(4.19)，即RLC負(fù)載電壓、頻率的變化在繼電器的正常工作范圍內(nèi)，則繼電器將失效，逆變器仍持續(xù)工作，孤島檢測失敗，系統(tǒng)進(jìn)入孤島檢測盲區(qū)NDZ（Non-detectionZone）4.3孤島檢測盲區(qū)檢測區(qū)盲區(qū)（Non-detectionZone，簡稱NDZ）是指存在某一區(qū)域，在此區(qū)域中某種孤島檢測方法不能檢測出孤島效應(yīng)的發(fā)生。因此，檢測盲區(qū)可以被用來衡量一種孤島檢測方法的好壞，孤島檢測方法的盲區(qū)越小，則此方法的可取性越高。由4.2節(jié)分析可知，電網(wǎng)斷電前后光伏并網(wǎng)逆變器輸出功率的變化決定了電網(wǎng)停止工作后逆變器輸出電壓和頻率的變化。若負(fù)載條件或控制方式不同，則在相同的工作范圍內(nèi)，所需要的逆變器輸出功率和負(fù)載功率的不匹配程度是不同的，即光伏逆變器的孤島檢測盲區(qū)不相同。圖4.3防止孤島效應(yīng)非檢測區(qū)圖示檢測盲區(qū)通常用如圖4.3所示的功率失配區(qū)間△P、△Q包圍的區(qū)域來表示。圖中的△P、△Q分別為市電電網(wǎng)向RLC負(fù)載提供的有功功率和無功功率，陰影部分為孤島檢測盲區(qū)，OF、UF、OV、UV分別表示過頻、欠頻、過壓和欠壓區(qū)。在非檢測區(qū)域內(nèi)，若所處位置非常接近△P=△Q=0，則此時(shí)耦合點(diǎn)a的電壓、頻率幾乎不發(fā)生變化，這增加了判斷系統(tǒng)是否處于孤島效應(yīng)狀態(tài)的難度，容易導(dǎo)致檢測失敗。此外，由公式和可得：在不同負(fù)載的情況下，比如負(fù)載參數(shù)R、L、C取值不同，則相同的△P、△Q產(chǎn)生的電壓、頻率的變化量是不同的。如果是在電壓、頻率閾值范圍設(shè)定相同的情況下，系統(tǒng)判斷孤島是否存在，得到的檢測結(jié)果是不一樣的。因此，△P、△Q來描述盲區(qū)存在很大的弊端。一般情況下，孤島效應(yīng)方法的檢測盲區(qū)應(yīng)盡可能的小，但是現(xiàn)實(shí)中，電網(wǎng)的情況很復(fù)雜，若將檢測盲區(qū)設(shè)定的太小，則會(huì)引起孤島保護(hù)的“誤動(dòng)”。4.4孤島效應(yīng)檢測方法隨著光伏并網(wǎng)發(fā)電裝置在發(fā)電系統(tǒng)中的推廣和普及，孤島效應(yīng)發(fā)生的機(jī)率也逐漸增加，已不可能忽視其帶來的安全隱患。當(dāng)前，孤島檢測技術(shù)主要分為兩類：被動(dòng)式和主動(dòng)式。前者主要是通過監(jiān)控電網(wǎng)的某些狀態(tài)參量的變化，譬如：電壓、頻率，來判斷系統(tǒng)是否處于“孤島效應(yīng)”的狀態(tài)。后者主要是通過并網(wǎng)逆變器定時(shí)產(chǎn)生擾動(dòng)信號(hào)，觀察電網(wǎng)某些參數(shù)是否受到影響，來判斷孤島效應(yīng)的發(fā)生。4.4.1被動(dòng)式孤島檢測與保護(hù)通過監(jiān)控電網(wǎng)狀態(tài)參數(shù)來判斷孤島是否發(fā)生的方法為被動(dòng)式孤島檢測法。但是，被動(dòng)式檢測法存在較大的非檢測區(qū)域（Non-DetectionZone，簡稱NDZ）。對(duì)于并網(wǎng)逆變器的被動(dòng)式孤島檢測方法來說，系統(tǒng)無需增加額外的硬件電路。根所選參數(shù)不同，可分為以下幾種[33-35]：(1)過壓、欠壓和過頻、欠頻檢測過壓/欠壓、過頻/欠頻孤島檢測是通過保護(hù)電路來實(shí)時(shí)監(jiān)控光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)。異地開關(guān)由于某種原因而跳閘，并且光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)輸出功率與負(fù)載功率需求不匹配時(shí)，電網(wǎng)的相關(guān)參數(shù)將發(fā)生變化，此時(shí)可以通過系統(tǒng)軟、硬件規(guī)定的電網(wǎng)電壓的過/欠壓保護(hù)電路或過/欠頻保護(hù)電路設(shè)置值及時(shí)地檢測出孤島效應(yīng)的發(fā)生，同時(shí)，繼電器動(dòng)作，在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)斷開逆變器的輸出。光伏并網(wǎng)逆變器運(yùn)行示意圖如圖2.2所示。其中，S為斷路開關(guān)。當(dāng)斷路開關(guān)閉合時(shí)，光伏系統(tǒng)并網(wǎng)運(yùn)行，此時(shí)光伏并網(wǎng)逆變器輸出功率為，RLC負(fù)載消耗的功率為，電網(wǎng)給RLC負(fù)載提供的功率為，則RLC負(fù)載的有功、無功功率的計(jì)算公式為：（4.20）（4.21）式中，Va為耦合點(diǎn)a處的電壓值。當(dāng)電網(wǎng)工作正常時(shí)，耦合點(diǎn)處電壓Va的頻率、大小始終受電網(wǎng)控制，其值基本保持不變。但是，一旦電網(wǎng)發(fā)生故障或失壓時(shí)，由公式（4.20）可得出，電網(wǎng)斷開前，并網(wǎng)逆變器輸出的有功功率與負(fù)載所需求的不匹配，即因此，電網(wǎng)斷開后，Va的值必定將會(huì)變大或變小，直到有功功率達(dá)到新的平衡狀態(tài)。同理，若無功功率出現(xiàn)不平衡，則并網(wǎng)逆變器為了保持單位功率因數(shù)輸出，頻率將發(fā)生變化，直到達(dá)到新的平衡狀態(tài)。因此，通過監(jiān)控耦合點(diǎn)處的電壓或頻率變化就能判斷系統(tǒng)所處狀態(tài)。但是，當(dāng)負(fù)載所需的功率與并網(wǎng)逆變器輸出的功率的不匹配度很小時(shí)，即公共點(diǎn)a處的電壓、頻率變化很小，未超出繼電器的正常工作范圍，此時(shí)繼電器不動(dòng)作，并網(wǎng)逆變器仍向電網(wǎng)輸送電能，孤島檢測失敗。過壓、欠壓和過頻、欠頻孤島檢測法簡單，易于實(shí)現(xiàn)，成本低，但是存在一定的弊端，對(duì)于非純阻性負(fù)載，檢測盲區(qū)較大，并且不可預(yù)測系統(tǒng)孤島檢測所需時(shí)間。(2)相位偏移檢測法[36]相位偏移法的基本思想是：監(jiān)控逆變器輸出電流和端電壓間相位差的變化。系統(tǒng)正常工作時(shí)，為讓并網(wǎng)逆變器實(shí)現(xiàn)單位功率因數(shù)輸出，電流控制型逆變器檢測耦合點(diǎn)a處電壓的過零點(diǎn)，使逆變器的輸出電壓和電流同電網(wǎng)的同相，即并網(wǎng)逆變器的輸出電壓和電流相位差為零。孤島發(fā)生時(shí)，逆變器輸出電壓電流的相位差由負(fù)載決定，通過檢測電壓電流之間的相位差是否超出一定的范圍，就能判斷故障的發(fā)生，進(jìn)而使逆變器切斷輸出。相位偏移檢測法的軟件硬件實(shí)現(xiàn)簡單。光伏并網(wǎng)逆變器自身需要通過鎖相環(huán)PLL來實(shí)現(xiàn)輸出電壓、電流同電網(wǎng)同頻同相，因此，要實(shí)現(xiàn)相位偏移孤島檢測只需增加一功能：光伏并網(wǎng)逆變器輸出電流與耦合點(diǎn)a處電壓之間的相位差一旦超過所設(shè)定的閾值范圍，則逆變器立即停止工作。另外，相位偏移孤島檢測不影響光伏并網(wǎng)逆變器輸出電能的質(zhì)量。相位偏移法也存在弊端，即難以確定相位誤差閾值，如果閾值設(shè)置的過低，將導(dǎo)致逆變器的誤動(dòng)作。當(dāng)負(fù)載為純阻性或接近純阻性時(shí)，光伏并網(wǎng)逆變器輸出電壓和電流之間的相位差很小，以致難以檢測孤島效應(yīng)的發(fā)生。除了以上三種常見的被動(dòng)式孤島檢測方法外，還有電壓諧波檢測法[36-38]、檢測頻率變化的被動(dòng)式孤島檢測法、基于人工智能和小波分析等的被動(dòng)式孤島檢測法。4.4.2主動(dòng)式孤島檢測與保護(hù)當(dāng)逆變器輸出功率與負(fù)載所需求基本相近時(shí)，入網(wǎng)點(diǎn)電壓、頻率等電網(wǎng)的狀態(tài)參數(shù)變化很小，以致被動(dòng)式孤島檢測法失效，因此，為了解決此類問題，人們提出主動(dòng)式檢測法。主動(dòng)式孤島檢測法的基本思想是：對(duì)系統(tǒng)的某些狀態(tài)參數(shù)施加一定的擾動(dòng)，當(dāng)系統(tǒng)處于正常狀態(tài)下時(shí)，在電網(wǎng)巨大的平衡作用下，擾動(dòng)信號(hào)產(chǎn)生的作用很小，但是一旦電網(wǎng)停止工作，孤島發(fā)生時(shí)，擾動(dòng)信號(hào)產(chǎn)生的作用凸現(xiàn)出來，并迅速累積超出允許的工作范圍，這樣就能判斷光伏發(fā)電系統(tǒng)是否處于孤島效應(yīng)狀態(tài)。（1）輸出功率擾動(dòng)法[39]輸出功率擾動(dòng)法的基本思想是：對(duì)輸出電流施加擾動(dòng)進(jìn)而促使輸出電壓參數(shù)發(fā)生變化。電網(wǎng)正常工作時(shí)，并網(wǎng)逆變器輸出電流跟隨給定信號(hào)，此時(shí)，并網(wǎng)逆變器輸出電流等于；在輸出功率擾動(dòng)算法的作用下，逆變器輸出電流正弦參考信號(hào)與擾動(dòng)信號(hào)存在一定的誤差，即。當(dāng)功率匹配時(shí)，若電網(wǎng)跳脫，則系統(tǒng)不能成功檢測出孤島。但是，若并網(wǎng)逆變器對(duì)其電流施加一定的擾動(dòng)，則耦合點(diǎn)a處的電壓值取決于逆變器輸出電流和負(fù)載，即：（4.22）上式中，入網(wǎng)點(diǎn)a處電壓值Va是在原來的基礎(chǔ)上添加了一個(gè)電壓降，以致使電壓超出正常工作范圍，從而即使在并網(wǎng)逆變器輸出功率與負(fù)載功率相匹配的情況下也能檢測出孤島狀態(tài)。對(duì)于負(fù)載阻抗較大的并網(wǎng)逆變器來說，輸出功率擾動(dòng)法檢測盲區(qū)很小，但是也存在缺點(diǎn)，對(duì)于與電網(wǎng)相連的多個(gè)并網(wǎng)逆變器來說，這種方法可能檢測失敗。相對(duì)于總輸出功率而言，若單個(gè)光伏逆變器起較小作用，則改變單個(gè)逆變器輸出功率，對(duì)整個(gè)系統(tǒng)來說，影響很小，以致系統(tǒng)總輸出功率變化非常小。但是，如果多個(gè)逆變器同市電電網(wǎng)相連，除非保持所有逆變器輸出功率擾動(dòng)同步，否則系統(tǒng)無法識(shí)別孤島。但是，保持多臺(tái)同步，有一定難度同時(shí)增加成本，因此，輸出功率擾動(dòng)法對(duì)于多個(gè)并網(wǎng)逆變器與電網(wǎng)相連的情況，檢測失效。(2)電壓正反饋法[40,41]入網(wǎng)點(diǎn)a的電壓的波動(dòng)情況，也是判斷電網(wǎng)是否正常工作的一個(gè)重要標(biāo)志。當(dāng)并網(wǎng)逆變器輸出功率同負(fù)載消耗的功率相匹配時(shí)，電網(wǎng)停止工作，入網(wǎng)點(diǎn)a處前后的電壓變化很小，若僅憑電壓信號(hào)來判斷，將無法保證檢測結(jié)果的準(zhǔn)確性和有效性。電壓正反饋檢測法恰能解決此問題，其基本思想是：周期的給電流施加同相的擾動(dòng)信號(hào)，使耦合點(diǎn)a處電壓發(fā)生偏移，以致超出所設(shè)定的閾值，系統(tǒng)成功識(shí)別孤島效應(yīng)。假設(shè)光伏發(fā)電系統(tǒng)的輸出電流為：（4.23）當(dāng)時(shí)，；當(dāng)時(shí)，。式中：最大功率跟蹤點(diǎn)電流；比例系數(shù)；耦合點(diǎn)a處的電壓峰值；電網(wǎng)電壓峰值；周期擾動(dòng)量。市電電網(wǎng)跳脫時(shí)，針對(duì)耦合點(diǎn)a處的電壓峰值分別取不同的情況進(jìn)行分析，其分析結(jié)果如下：圖4.4正反饋原理圖當(dāng)時(shí)某時(shí)刻，電網(wǎng)停止工作，系統(tǒng)處于孤島狀態(tài)，由于，則下個(gè)周期電流的最大值將增大。如圖4.4(a)可知，由于電壓正反饋的作用，入網(wǎng)點(diǎn)a處電壓不斷變大，若△U發(fā)揮作用，即值從0逐漸上升為，同樣，△U也具有正反饋?zhàn)饔?，因此，耦合點(diǎn)a處的電壓在正反饋的雙重作用下發(fā)生明顯的變化，以致系統(tǒng)能識(shí)別孤島的發(fā)生。當(dāng)時(shí)某時(shí)刻，電網(wǎng)跳脫，出現(xiàn)孤島，因?yàn)椋敲聪聜€(gè)周期電流的最大值會(huì)減小。如圖4.4(b)可知，在電壓正反饋的影響下，耦合點(diǎn)a處電壓不斷減小，若△U發(fā)揮作用，即值從0逐漸上升為，同樣，△U也具有正反饋?zhàn)饔茫虼?，耦合點(diǎn)a處的電壓在正反饋的雙重作用下發(fā)生明顯的變化，以致系統(tǒng)能識(shí)別孤島的發(fā)生。當(dāng)時(shí)某時(shí)刻，電網(wǎng)跳脫，孤島發(fā)生，由于，此時(shí)通過電壓正反饋?zhàn)饔?，也無法檢測到孤島效應(yīng)的發(fā)生。但是，若△U每隔一個(gè)周期發(fā)揮作用，即，能降低逆變器輸出電流的大小，進(jìn)而減小耦合點(diǎn)a處的電壓值，系統(tǒng)能成功的檢測出孤島的發(fā)生。(3)主動(dòng)移頻式檢測法(AFD)[42]大部分逆變器以電流為輸出控制對(duì)象，通過采樣電網(wǎng)電壓來實(shí)現(xiàn)逆變器輸出電流與市電同頻同相。主動(dòng)移頻式孤島檢測法控制原理框圖如圖4.5所示。為了能更好的檢測出孤島效應(yīng)，使逆變器輸出電流頻率與電網(wǎng)電壓頻率不完全相同，兩者間存在一定誤差，且值的大小在允許范圍內(nèi)，即圖4.5AFD孤島檢測方法控制原理圖當(dāng)電網(wǎng)正常工作時(shí)，因?yàn)殡娋W(wǎng)阻抗很小，所有其有巨大的平衡作用，以致逆變器輸出電流頻率對(duì)電網(wǎng)頻率的影響可以忽略不計(jì)，在加上PLL在系統(tǒng)中的調(diào)節(jié)作用，誤差△f保持在所允許的范圍內(nèi)，光伏發(fā)電系統(tǒng)正常運(yùn)行；當(dāng)電網(wǎng)因故障停止工作，孤島發(fā)生時(shí)，此時(shí)DSP反饋的電壓值為入網(wǎng)點(diǎn)a處的電壓。逆變器輸出電流頻率變化將對(duì)入網(wǎng)點(diǎn)處電壓產(chǎn)生一定的影響，在下一個(gè)eCAP中斷中，將以檢測到的逆變器的輸出電壓為基準(zhǔn)，通過加上設(shè)定的誤差△f來控制下一個(gè)工頻周期內(nèi)逆變器的輸出電流頻率，從而使逆變器輸出電流和輸出電壓不斷增大，進(jìn)而使誤差△f進(jìn)一步增加，該過程不斷重復(fù)，不斷累積增大，直到逆變器輸出電壓頻率超出正常工作范圍，檢測出系統(tǒng)處于孤島狀態(tài)進(jìn)而實(shí)施保護(hù)。實(shí)際應(yīng)用中，可以通過插入固定的死區(qū)時(shí)間或者強(qiáng)迫逆變器輸出電流頻率比上一周期的電壓頻率快△f（恒頻率偏移）來實(shí)現(xiàn)AFD方案，電流給定信號(hào)與入網(wǎng)點(diǎn)a處電壓的關(guān)系[43]如圖4.6所示：圖4.6光伏發(fā)電系統(tǒng)的電流給定信號(hào)但是，主動(dòng)移頻式孤島檢測法也存在一定的弊端。對(duì)于純阻性負(fù)載來說，AFD均能成功檢測出系統(tǒng)是否處于孤島狀態(tài)；對(duì)于RLC并聯(lián)負(fù)載，AFD存在非檢測區(qū)，并且RLC負(fù)載品質(zhì)因數(shù)越大，孤島檢測越容易失敗。主動(dòng)移頻的思想是：對(duì)電流頻率施加一定的擾動(dòng)，促使孤島發(fā)生系統(tǒng)重新穩(wěn)定后的頻率發(fā)生偏移，直到超出所設(shè)定的閾值范圍，以致系統(tǒng)能識(shí)別出孤島的發(fā)生。RLC負(fù)載的品質(zhì)因數(shù)越大，將入網(wǎng)點(diǎn)a處的頻率推離RLC電路的諧振頻率的阻尼越大，越難檢測處孤島的發(fā)生。品質(zhì)因數(shù)與孤島檢測失敗的關(guān)系圖[43]如圖4.7所示：圖4.7高品質(zhì)因數(shù)RLC容易檢測失敗的原因孤島檢測成功的關(guān)鍵：電網(wǎng)失壓后，入網(wǎng)點(diǎn)a處電壓頻率出現(xiàn)較大的偏移。主動(dòng)移頻的控制思想是：通過擾動(dòng)促使電流頻率發(fā)生偏移，進(jìn)而改變電壓頻率。但是，主動(dòng)移頻法不是萬能，也存在檢測失敗的情況，其原因如下：(a)負(fù)載阻抗角，即負(fù)載呈純阻性。電壓與電流同頻同相，基于負(fù)載的特性，通過控制電流頻率的變化來觀察電壓的變化，以致相對(duì)于上一個(gè)周期而言，每個(gè)周期頻率都發(fā)生單向偏移，進(jìn)而超出所設(shè)定的閾值范圍，孤島檢測成功。(b)負(fù)載阻抗角，即負(fù)載呈容性。電流超前于電壓，但兩者同頻同相。負(fù)載的相位角決定電流超前電壓的角度。因?yàn)殡娏鞒?，所以電壓過零點(diǎn)檢測時(shí)所得到的檢測時(shí)刻將延后，即電壓周期變大。以致不能通過電壓的變化來觀察主動(dòng)式移頻算法中給定電流頻率的變化，如果AFD對(duì)頻率施加擾動(dòng)△f的超前作用同負(fù)載阻抗角的滯后作用相互抵消，則相鄰周期間電壓過零時(shí)間間隔保持不變，頻率在所設(shè)定的閾值范圍之內(nèi)，系統(tǒng)無法識(shí)別孤島。(c)負(fù)載阻抗角，即負(fù)載呈感性。電流滯后于電壓，但兩者同頻。由于電壓超前，電壓過零點(diǎn)檢測時(shí)所得到的檢測時(shí)刻將提前，從而促使頻率在原有基礎(chǔ)上進(jìn)一步偏移，由此可見，此時(shí)不存在檢測盲區(qū)。但是，若AFD算法對(duì)電流頻率施加反向擾動(dòng)，道理同負(fù)載呈容性的情況類似，AFD對(duì)頻率施加擾動(dòng)△f的滯后作用同負(fù)載阻抗角的超前作用相互抵消，則相鄰周期間電壓過零時(shí)間間隔保持不變，頻率不發(fā)生偏移，孤島檢測失敗。為了避免以上情況發(fā)生而造成AFD檢測方法的失效，可以采用帶正反饋的主動(dòng)式移頻式孤島檢測方法（AFDPF），其控制策略為，即不定時(shí)地分別朝兩個(gè)相反的方向?qū)δ孀兤鬏敵鲭娏黝l率施加擾動(dòng)，這種方法的優(yōu)勢(shì)在于能避免擾動(dòng)方向與負(fù)載性質(zhì)方向不同而相互抵消的情況。AFDPF原理框圖如4.8所示。圖4.8AFDPF孤島效應(yīng)檢測法圖中：cf1、cf2為兩個(gè)不同方向的擾動(dòng)信號(hào)；△f1、△f2為施加擾動(dòng)信號(hào)后，同的誤差。在主動(dòng)移頻技術(shù)中，表征頻率擾動(dòng)強(qiáng)度的參數(shù)為截?cái)嘞禂?shù)，符號(hào)為cf（choppingfraction）。對(duì)于DSP和ARM雙核控制的光伏并網(wǎng)逆變器來說，AFDPF算法簡單，易于實(shí)現(xiàn)，且具有較小的檢測盲區(qū)，但是也存在一定弊端，就是輸出電能的質(zhì)量會(huì)有所下降。(4)主動(dòng)移相式檢測法主動(dòng)移相式孤島檢測法同主動(dòng)移頻式檢測法一樣，易于實(shí)現(xiàn)、無需增加額外的硬件、檢測盲區(qū)小等優(yōu)點(diǎn)。通過對(duì)相位施加一定的擾動(dòng)從而使電壓頻率發(fā)生偏移，直到超出所設(shè)定的閾值范圍，最后成功的檢測出系統(tǒng)是否處于“孤島效應(yīng)”的狀態(tài)?；瑒?dòng)頻率偏移法[45-47]（slip-modefrequencyshift，SMS）是一種移相式孤島檢測方法，隨著孤島技術(shù)的進(jìn)步，人們對(duì)其算法進(jìn)行了研究和改進(jìn)，但是其基本原理保持不變。后來，出現(xiàn)了自動(dòng)移相法（Automaticphaseshift，簡稱APS）[44]。下面取SMS為例簡單說明主動(dòng)移相孤島檢測法的原理。定義上周期的逆變器輸出電流頻率與市電電網(wǎng)頻率間誤差的函數(shù)為并網(wǎng)逆變器輸出電流的相位，即：（2.24）式中，最大相位偏移m發(fā)生時(shí)的頻率（一般取，）；主動(dòng)移頻算法移相角的最大值；電網(wǎng)頻率；入網(wǎng)點(diǎn)a處的頻率。逆變器的輸出電流給定是隨著周波的變化給出而作相應(yīng)的調(diào)整：通過鎖相環(huán)（PLL）電路來檢測入網(wǎng)點(diǎn)a處的電壓的過零上升沿間隔時(shí)間，將其作為下一周期給定電流的頻率，并且，入網(wǎng)點(diǎn)a處的電壓過零點(diǎn)上升沿時(shí)刻作為電流周期的起始時(shí)刻。若系統(tǒng)不施加SMS算法，并網(wǎng)逆變器輸出電流同入網(wǎng)點(diǎn)a處的電壓同頻同相；若系統(tǒng)中施加了SMS算法，則能促使逆變器輸出電流的相位發(fā)生偏移。SMS孤島檢測方法示意圖如圖4.9所示。圖4.9SMS孤島檢測方法示意圖同主動(dòng)移頻式孤島檢測法一樣，電壓過零時(shí)刻的超前或滯后受兩個(gè)因素的影響：電流移相算法和負(fù)載相位角。若電網(wǎng)停止工作后，光伏發(fā)電系統(tǒng)重新達(dá)到穩(wěn)態(tài)前，頻率一直都在正常工作范圍內(nèi)，則將無法判斷系統(tǒng)是否處于孤島狀態(tài)。并網(wǎng)逆變器電流控制的等效模型框圖如圖4.10所示。圖4.10SMS孤島檢測方法示意圖電流和電壓的相位差取決于SMS移相算法和RLC負(fù)載相位。(a)時(shí)，鎖相環(huán)電路檢測到的電壓周期將變短，從而增大下一周期電流給定頻率；(b)時(shí)，鎖相環(huán)電路檢測到的電壓周期相對(duì)于上一周期來說有所增大，從而促使下一周期電流給定頻率有所變??；(c)時(shí)，移相算法所施加擾動(dòng)產(chǎn)生的影響恰好與負(fù)載相位角的作用相互抵消，以致頻率幾乎保持不變，系統(tǒng)進(jìn)入穩(wěn)定運(yùn)行的狀態(tài)[48]。主動(dòng)移相式孤島檢測方法也存在缺陷，隨著品質(zhì)因數(shù)升高，孤島檢測的難度也逐漸增大。并且，滑動(dòng)頻率偏移檢測法對(duì)并網(wǎng)逆變器輸出電能質(zhì)量產(chǎn)生了一定的影響。4.4.3電網(wǎng)側(cè)反孤島檢測法電網(wǎng)側(cè)反孤島檢測法主要是阻抗檢測法。阻抗檢測法的基本思想是：在電網(wǎng)側(cè)安裝一個(gè)低阻抗元器件。阻抗插入系統(tǒng)框圖如4.11所示，在電網(wǎng)側(cè)b點(diǎn)所示位置通過斷路器K2接入一個(gè)電容器組件，一般情況下，K1處于斷開狀態(tài)。當(dāng)斷路器開關(guān)K1斷開時(shí)，經(jīng)過短暫延遲，斷路器K2閉合，電容器組接入系統(tǒng)。電網(wǎng)由于某種原因停止工作前，若并網(wǎng)逆變器輸出功率同負(fù)載需求相匹配，則大電容器組件將破壞系統(tǒng)的能量平衡狀態(tài)，進(jìn)而導(dǎo)致頻率發(fā)生突降，同時(shí)系統(tǒng)電流—電壓相位發(fā)生突變，觸發(fā)繼電器動(dòng)作，系統(tǒng)進(jìn)入欠頻保護(hù)。斷路器K1斷開和K2閉合間存在一定的延遲，雖然短暫但是不可缺少的一個(gè)過程，因?yàn)殡娋W(wǎng)側(cè)附加的裝置呈容性，對(duì)感性負(fù)載能起到一定的補(bǔ)償作用，致使系統(tǒng)無法識(shí)別孤島效應(yīng)。此種情況下，感性負(fù)載很大，且頻率在開關(guān)切換過程中將發(fā)生偏移，而系統(tǒng)正好能利用短暫的延遲時(shí)間來檢測其變化，進(jìn)而判斷是否處于孤島狀態(tài)。理論上，附加部分可以使用類似大電阻的阻抗，這將使入網(wǎng)點(diǎn)a處電壓幅值發(fā)生變化，但是，使用大電容組件，對(duì)電網(wǎng)能起到無功補(bǔ)償?shù)墓δ?。圖4.11阻抗插入方案示意圖阻抗檢測法也存在一些不足，比如[49]：附加裝置提高了系統(tǒng)成本；(b)電網(wǎng)側(cè)串聯(lián)開關(guān)數(shù)量增多，從而增加了發(fā)生孤島的幾率。(c)電網(wǎng)斷路器K1斷開與附加大電容組件K閉合之間存在一定的延遲，可能降低了反孤島方案的快速性；(d)在電網(wǎng)側(cè)安裝電容組件，增加了安裝的難度，同時(shí)也不能排除大電容組件是否對(duì)電網(wǎng)存在一定的影響。另外，電網(wǎng)側(cè)還可以利用網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)采集系統(tǒng)（SupervisoryControlandDataAcquisition，簡稱SCADA）、電力載波通訊（PowerLineCarrierCommunication，簡稱PLCC）等遠(yuǎn)程通訊手段來監(jiān)控光伏太陽能發(fā)電系統(tǒng)上所有繼電器的狀態(tài)，進(jìn)而及時(shí)檢測出孤島的發(fā)生。第五章雙向轉(zhuǎn)換電源的EMC設(shè)計(jì)由于光照、溫度等外界因素的影響，光伏陣列發(fā)出的是非線性的直流電，又由于半橋逆變器高開關(guān)頻率的影響，導(dǎo)致產(chǎn)生的大量高次諧波干擾影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性，因此濾波器就起到了至關(guān)重要的作用。本章主要對(duì)現(xiàn)有的48VDC/220VAC雙向轉(zhuǎn)換電源進(jìn)行EMC設(shè)計(jì)，主要是濾波設(shè)計(jì)，使產(chǎn)品符合CQC及CE標(biāo)準(zhǔn)認(rèn)證要求。5.1直流側(cè)濾波器5.1.1直流側(cè)濾波器的分類和比較一般直流側(cè)濾波器采用一個(gè)大容量的電容C進(jìn)行平波，還有一種是型濾波器。如圖5.1所示。圖5.1單電容濾波器和型濾波器結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)的C型濾波器相比，型濾波器能更好的濾除高次諧波，并且使用較小容量的電容就能夠達(dá)到較好的濾波效果，因此本系統(tǒng)采用型結(jié)構(gòu)。5.1.2全橋逆變器型濾波器設(shè)計(jì)因?yàn)樾蜑V波器結(jié)構(gòu)能以較小的濾波電容起到很好的濾波效果[50]，在此著重分析下這種結(jié)構(gòu)。在光伏系統(tǒng)中，入網(wǎng)電流受到直流側(cè)電壓的影響，若直流側(cè)電壓含有諧波分量，那么通過逆變器之后，交流側(cè)一定會(huì)產(chǎn)生諧波電流。當(dāng)功率開關(guān)管頻率比較高時(shí)，諧波主要分布在開關(guān)頻率及其整數(shù)倍頻率附近。型濾波器等效電路圖如t圖5.2所示。圖5.2型濾波器等效電路在一個(gè)開關(guān)周期內(nèi)，可把太陽光伏電池板作為穩(wěn)定的直流恒流源，暫態(tài)分析中可認(rèn)為，因而圖5.2所示結(jié)構(gòu)可以等效為：圖5.3型濾波器對(duì)于圖5.3所示的型濾波器，可知電容與串聯(lián)，然后與電容并聯(lián)，其中，這樣就有等效轉(zhuǎn)移阻抗為：（5.1）（5.2）（5.3）由并聯(lián)電路特點(diǎn)可知：（5.4）（5.5）聯(lián)立（5.4）和（5.5）兩式可得：（5.6）則有：（5.7）整理可得：（5.8）將代入上式，可得：（5.9）型結(jié)構(gòu)濾波器，由電感和電容組成，在某頻段內(nèi)會(huì)發(fā)生諧振，即相當(dāng)于當(dāng)電容與串聯(lián)呈電感性時(shí)，然后與電容并聯(lián)發(fā)生并聯(lián)諧振，應(yīng)該使得諧振頻率遠(yuǎn)離電網(wǎng)頻率以及整數(shù)倍電網(wǎng)頻率，主要為50Hz、100Hz、150Hz、200Hz、250Hz。那么諧振時(shí)等效阻抗為：（5.10）當(dāng)發(fā)生并聯(lián)諧振時(shí)，分母為零，則有：（5.11）整理可得：（5.12）進(jìn)一步可得：（5.13）（5.14）則有并聯(lián)諧振頻率為：（5.15）5.2交流側(cè)濾波器本系統(tǒng)中逆變電路（DC/AC）產(chǎn)生的諧波嚴(yán)重影響了光伏并網(wǎng)系統(tǒng)的正常運(yùn)行，必須進(jìn)行有效的抑制，才會(huì)使得系統(tǒng)能夠穩(wěn)定、可靠的運(yùn)行。在理論上，有源濾波器可以有效地抑制諧波，但是由于技術(shù)復(fù)雜、成本高而未能獲得廣泛應(yīng)用。在實(shí)際應(yīng)用中由于無源濾波器成本低，相對(duì)于有源濾波器更加穩(wěn)定、可靠。無源濾波器既可以抑制諧波，也可以進(jìn)行無功補(bǔ)償。因此，無源濾波器在治理諧波方面仍起著重要作用。在整個(gè)系統(tǒng)中包含大量的非線性高速元件，可能引起并網(wǎng)電流和電壓波形的畸變；由于采用正弦波脈寬調(diào)制（SPWM）方式進(jìn)行控制，功率開關(guān)器件的開關(guān)頻率很高，在運(yùn)行過程中將會(huì)產(chǎn)生大量的高次諧波輸入電網(wǎng)中，這樣就使得電網(wǎng)電流中含有大量高次諧波，降低電網(wǎng)電流的質(zhì)量，為了濾除入網(wǎng)電流中的高次諧波，并且獲得較低的THD，就必須在電網(wǎng)和逆變電路之間接上諧波濾波器。此外，濾波器參數(shù)的選取影響電流環(huán)的動(dòng)、靜態(tài)響應(yīng)，以及影響著并網(wǎng)系統(tǒng)輸出功率、直流電壓和系統(tǒng)功耗等。5.2.1并網(wǎng)濾波器分類和比較通常并網(wǎng)無源濾波器分為：單電感L濾波器、LC和LCL(T型)濾波器三種，如圖5.4所示。圖5.4L、LC、LCL型濾波器單電感L濾波器結(jié)構(gòu)比較簡單，控制特性比較好，但是其高頻諧波衰減效果不佳，想達(dá)到設(shè)計(jì)要求的濾波效果，需要很大的電感值，這樣電感體積過大，成本過高，消耗的無功功率比較多，使得整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性、快速性變差；LC型濾波器，雖然結(jié)構(gòu)和參數(shù)選取比較簡單，但是不能很好的抑制輸出電流的高頻諧波，由于電網(wǎng)的阻抗不能確定進(jìn)而容易影響濾波效果；LCL型濾波器兼顧通帶和阻帶的特性，選擇較小的電感電容值就能夠?qū)Ω哳l諧波電流起到很大的衰減作用，有助于逆變器在開關(guān)頻率較低的情況下得到較高質(zhì)量的并網(wǎng)電流[51,52]。通過以上分析，本系統(tǒng)交流側(cè)采用LCL型濾波器。5.2.2SPWM逆變電路輸出諧波分析利用傅里葉分析單極性控制技術(shù)SPWM，全橋逆變器輸出電壓為[53]：（5.16）式中：（5.17）其波形如圖5.5所示。圖5.5單極性SPWM波形根據(jù)圖5.5中的輸出波形可求得：（5.18）其中，第n次諧波的有效值為：（5.19）圖中：為載波頻率，為調(diào)制頻率，，為載波幅值，為調(diào)制波幅值。經(jīng)過上述的分析和計(jì)算表明[54]：單極性SPWM調(diào)制時(shí)輸出電壓波形中的最低次諧波的次數(shù)為(N-3)或(2P-1)。其中P為每半個(gè)正弦波內(nèi)的脈沖電壓數(shù)[55]。5.2.3LCL型濾波器的設(shè)計(jì)光伏并網(wǎng)系統(tǒng)交流側(cè)濾波器的主要作用為：(1)將并網(wǎng)系統(tǒng)交流側(cè)的PWM諧波電流濾除，從而保證并網(wǎng)電流的功率因數(shù)接近1；(2)將電網(wǎng)電壓和逆變器輸出的電壓分隔開來，控制并網(wǎng)型逆變器輸出的電壓幅值和相位，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)控制并網(wǎng)電流幅值和相位；(3)同時(shí)濾波電感對(duì)電流有阻尼作用，這樣有利于控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性的提高；(4)在保證良好的并網(wǎng)電流波形的同時(shí)，還可以根據(jù)電網(wǎng)的需要提供給電網(wǎng)無功補(bǔ)償[56]。在進(jìn)行LCL濾波器設(shè)計(jì)時(shí)，要對(duì)濾波器體積大小、電感參數(shù)及磁芯、輸出電流紋波大小、諧振頻率和動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行考慮，折中后再進(jìn)行選擇。LCL型濾波器的電路圖如圖5.6所示。圖5.6LCL型濾波器對(duì)于50Hz的低頻電流，LCL濾波器呈現(xiàn)出低阻抗特性，基本不起產(chǎn)生衰減作用；對(duì)于高次諧波電流起到極大的衰減作用。對(duì)LCL型濾波器進(jìn)行拉普拉斯變換分析。（5.20）由電路KCL定律：（5.21）由電路KVL定律：（5.22）所以有：（5.23）假設(shè)時(shí)，則式（5.23）可以寫成：（5.24）當(dāng)時(shí)，式（5.24）可化為：（5.25）由上式可以得出：對(duì)于基本電流分量來說，由于，則有，相當(dāng)于只有一個(gè)電感L濾波器，沒有濾波電容；對(duì)于高頻電流分量來說，由于，則有，相當(dāng)于一個(gè)三階低通濾波器，能夠有效的抑制開關(guān)頻率附近的諧波。3、LCL濾波器參數(shù)的確定如圖5.6中，為電網(wǎng)電壓，為逆變器前側(cè)直流電壓，，為濾波器電感，C為濾波電容，為的等效電阻，為的等效電阻。由于兩個(gè)等效電阻很小，在計(jì)算中忽略不計(jì)。電感參數(shù)的大小與紋波電流、系統(tǒng)功耗有關(guān)，當(dāng)電感值L越大，則紋波電流及其與之相關(guān)的損耗就會(huì)越小，但電感越大，其體積越大，電感本身的損耗也會(huì)越大。所以，選取電感時(shí)要考慮各方面因素，采用折中的辦法選擇。一般情況下，輸出電流紋波的大小決定了電感L最小值的選擇，電感L上的紋波電流選擇為額定電流的15%~25%，本課題選用20%，即：，其中為入網(wǎng)電流。本系統(tǒng)的調(diào)制方法為單極性，那么設(shè)定功率開關(guān)管在一個(gè)開關(guān)周期內(nèi)導(dǎo)通的時(shí)間為，逆變器前端直流電壓為，電容兩端電壓為，電感兩端電壓為，則有：（5.26）其中：（5.27）將式（5.27）帶入時(shí)（5.26）中有：（5.28）對(duì)求導(dǎo)有：（5.29）對(duì)于入網(wǎng)電流要求其與電網(wǎng)電壓同頻同相，因而，式(5.29)的值為0，則可得到：當(dāng)時(shí)，有最大值，即：（5.30）又由于，則有：（5.31）從而得到電感最小值的公式：（5.32）經(jīng)過分析可以知道：對(duì)于基波電流，LCL濾波器的濾波電容相當(dāng)于開路，這樣相當(dāng)于總電感起作用，其上的電壓壓降為，則有，其中，=50Hz為電網(wǎng)頻率。根據(jù)三者的矢量關(guān)系有：（5.33）因?yàn)榇嬖谌刖W(wǎng)電流與電網(wǎng)電壓相位不一致的情況，則需要考慮兩者間相角的影響，則根據(jù)余弦定理可以得到關(guān)系式：（5.34）其中：電感電壓和電網(wǎng)電壓之間的夾角為。將帶入式（5.33）有：（5.35）若，電感的取值范圍為：（5.36）代入數(shù)值，，，可得：即：濾波器電容與無功功率、諧振頻率相關(guān)聯(lián)，這樣電感和電容在取值時(shí)要進(jìn)行折中。如果濾波電容值取得比較大，那么無功功率越大、流過電感和功率器件的電流也越大，整體的效率就會(huì)降低；如果濾波電容值取得比較小，那么在同樣的濾波效果下，所需的電感值就比較大，進(jìn)而導(dǎo)致電感體積比較大。通常，以總功率的15%作為無功功率進(jìn)行計(jì)算，則有電容值取值范圍：（5.37）其中：P=6kW為整個(gè)系統(tǒng)的額定功率，f=50Hz為電網(wǎng)頻率，為電網(wǎng)電壓。代入本設(shè)計(jì)數(shù)值得：、和C之間關(guān)系比較復(fù)雜，那么雖然知道了總的電感量的取值范圍，但是與各自取值的確定也很復(fù)雜，它們的取值直接影響了兩個(gè)濾波電感上的壓降、濾波電容上的無功電流、以及電流紋波的大小。一般來說，在相同的濾波效果情況下，增大濾波電容的值可以相應(yīng)的減小濾波電感的取值，從而減少濾波器的體積，同時(shí)濾波電容越大，的比值對(duì)整個(gè)系統(tǒng)濾波效果的影響就越明顯。有關(guān)的文獻(xiàn)已經(jīng)證明[56]：電感決定輸出的電流紋波、電感和電容C對(duì)高頻電流起到分流作用，電容給高頻分量提供了低阻通路，要保證分流的效果就必須使得，一般情況下可取。5.3EMI濾波器由于功率開關(guān)管在功能、效率、體積重量等方面具有無可比擬的優(yōu)勢(shì)，因此在許多行業(yè)領(lǐng)域均獲得了廣泛的應(yīng)用，但是功率開關(guān)管的開關(guān)工作方式所引起的電磁干擾問題卻成了一個(gè)顯著的缺陷，所以解決電磁干擾（ElectromagneticInterference，EMI）問題成為提高整個(gè)系統(tǒng)性能的關(guān)鍵。光伏并網(wǎng)的廣泛應(yīng)用前景使其電磁兼容成為國內(nèi)外研究的熱點(diǎn)。5.3.1電磁兼容根據(jù)國際電工委員會(huì)（InternationalElectrotechnicalCommission，IEC）的定義，電磁兼容(Electromagneticcompatibility，EMC)是指電氣和電子設(shè)備在共同的電磁環(huán)境中能執(zhí)行各自的功能的共存狀態(tài)，它們不會(huì)因?yàn)閮?nèi)部或彼此間存在的電磁干擾而影響其正常工作[57]。電磁兼容性包含三個(gè)方面的含義[58]：(1)電磁干擾（ElectromagneticInterference，EMI），處在一定環(huán)境中的設(shè)備或系統(tǒng)，在正常運(yùn)行時(shí)，不應(yīng)產(chǎn)生超過相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)所要求的電磁能量，相對(duì)應(yīng)的測試項(xiàng)目根據(jù)產(chǎn)品類型及標(biāo)準(zhǔn)不同而不同；(2)電磁敏感性(ElectromagneticSusceptibility，EMS)，處在一定環(huán)境中設(shè)備或系統(tǒng)，在正常運(yùn)行時(shí)，設(shè)備或系統(tǒng)能承受相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定范圍內(nèi)的電磁能量干擾，相對(duì)應(yīng)的測試項(xiàng)目也根據(jù)產(chǎn)品類型及標(biāo)準(zhǔn)不同而不同；(3)電磁環(huán)境，即系統(tǒng)或設(shè)備的工作環(huán)境。電磁干擾包括電磁敏感度和電磁發(fā)射兩方面內(nèi)容，電磁敏感度是指電子設(shè)備抵抗電磁干擾的能力，而電磁發(fā)射是指電子產(chǎn)品產(chǎn)生的對(duì)外電磁干擾。電磁干擾必須有三個(gè)因素同時(shí)存在才能形成：電磁干擾源、對(duì)干擾敏感的接收裝置和噪聲的耦合途徑，所以抑制電磁干擾也應(yīng)該從以上三個(gè)方面入手。電磁兼容性可從電磁發(fā)射和電磁敏感性兩方面來分析，其中電磁發(fā)射分為傳導(dǎo)發(fā)射和輻射發(fā)射，電磁敏感度分為傳導(dǎo)敏感度和輻射敏感度。EMC的設(shè)計(jì)就是抑制干擾源的電磁干擾發(fā)射，提高敏感設(shè)備的電磁干擾敏感度，以及切斷干擾途徑的過程。5.3.2電磁干擾根據(jù)現(xiàn)今階段的研究，在電力電子設(shè)備的工作頻率范圍中，電磁干擾以傳導(dǎo)干擾為主，且以差模干擾（DifferentialMode，DM）和共模干擾（CommonMode，CM）的形式表現(xiàn)出來。差模干擾是串聯(lián)于信號(hào)回路中的干擾，與頻率有關(guān)；共模干擾是干擾電壓同時(shí)加到兩條信號(hào)線上出現(xiàn)的干擾，共模干擾要變成差模干擾才能對(duì)電路起作用。由于功率開關(guān)管的快速開關(guān)引起的高du/dt和di/dt，大功率開關(guān)管運(yùn)行時(shí)會(huì)產(chǎn)生大量的差模和共模干擾信號(hào)，使得逆變器前后都含有大量的高次諧波，嚴(yán)重污染了電網(wǎng)，影響了電網(wǎng)電能的質(zhì)量。因此根據(jù)電磁干擾的特性，通常使用接地、屏蔽、濾波這三種方法對(duì)電磁干擾信號(hào)進(jìn)行抑制。EMI濾波器在抑制傳導(dǎo)干擾方面是極為有效的手段，因此，在功率開關(guān)管中使用EMI濾波器來提高設(shè)備抗干擾的能力。共模干擾是相線對(duì)大地或者中線對(duì)大地之間的電位差，共模電流是相線或者中線與地線之間流動(dòng)的、相位相同的電流，如圖5.7所示。圖5.7共模干擾流向圖差模干擾是相線與中線之間的電位差，差模電流是存在于相線與中線之間且相位相反的電流。如圖5.8所示。圖5.8差模干擾流向圖由于共模干擾和差模干擾形成的原因不同，在電磁干擾信號(hào)中的頻譜范圍也不一樣，根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)中的敘述可以得到，在低于0.1MHz以差模干擾為主，在0.1MHz~1MHz差模干擾與共模干擾共存，在1MHz~30MHz以共模干擾為主，在30MHz以上以共模干擾為主。這樣就可以根據(jù)不同頻段特點(diǎn)進(jìn)行抑制。5.3.3參數(shù)設(shè)定EMI濾波器的主要性能指標(biāo)一般包括插入損耗、漏電流、額定電壓和額定電流、阻抗匹配頻率特性、器件尺寸和重量、可靠性和使用環(huán)境等，在多數(shù)情況下，插入損耗、漏電流、額定電壓和額定電流為主要參數(shù)。（1）插入損耗插入損耗是EMI濾波器的重要參數(shù)，是頻率的函數(shù)。它的定義為沒有濾波器接入時(shí)，從噪聲源傳輸?shù)截?fù)載的功率和接入濾波器后，噪聲源傳輸?shù)截?fù)載的功率之比，單位為dB（分貝）。圖5.9插入濾波器前、后圖形根據(jù)定義，圖5.9(a)和(b)的插入損耗為：（5.38）由于，，則：（5.39）由圖5.9(a)中所示，可以得到：（5.40）由圖5.9(b)中所示，利用二端口原理，可以得到：其中：聯(lián)立以上兩式可得：（5.41）進(jìn)而可以得到插入損耗的計(jì)算公式：（5.42）通過上式可以知道，插入損耗與濾波器的源阻抗和負(fù)載阻抗有關(guān)。插入損耗越大，濾波器的性能越好，濾除干擾的能力越強(qiáng)。EMI濾波器屬于反射式濾波器，它需要盡可能的把高頻干擾信號(hào)反射回噪聲源。(2)漏電流漏電流是在額定電壓工作的情況下，EMI濾波器相線與地線、中線與地線之間流過的電流，出于安全的考慮，對(duì)于漏電流都有嚴(yán)格的規(guī)定。如表5.1所示，列舉了幾個(gè)國家的安全漏電流的標(biāo)準(zhǔn)。表5.1安全漏電流標(biāo)準(zhǔn)根據(jù)安規(guī)要求，要求的漏電流越小越好，這樣得到的安全性就越高，計(jì)算公式如下式所示：（5.43）上式中，為漏電流，為電網(wǎng)頻率50Hz，為EMI濾波器共模電容，為共模電容上的電壓，即為輸出端對(duì)地之間的電壓110V。(3)額定電壓和額定電流額定電壓是濾波器允許的最大輸入電壓值，主要是保證EMI濾波器在該電壓下，能夠安全、穩(wěn)定的持續(xù)工作。濾波器的額定電壓一般為輸出最大峰值電壓的兩倍。額定電流是在規(guī)定的環(huán)境穩(wěn)定和額定電壓條件下，EMI濾波器能夠穩(wěn)定、持續(xù)的工作電流。一般情況下，環(huán)境穩(wěn)定越高允許的工作電流就越小，并且工作電流還與頻率的大小有關(guān)，工作頻率越高，允許的工作電流就越小。因此，為保證EMI濾波器能夠以最優(yōu)工作，一般取實(shí)際最大工作電流值的1.5倍左右作為EMI濾波器的額定電流。5.3.4EMI濾波器設(shè)計(jì)現(xiàn)今，EMI濾波器分為無源濾波器和有源濾波器，其中無源濾波器具有成本低、容量大、效率高、運(yùn)行穩(wěn)定、技術(shù)相對(duì)成熟、結(jié)構(gòu)簡單及維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)，所以本文采用無源EMI濾波器。無源EMI濾波器結(jié)構(gòu)有單級(jí)和多級(jí)，多級(jí)是多個(gè)單級(jí)進(jìn)行級(jí)聯(lián)而成，那么先分析一下單級(jí)結(jié)構(gòu)，對(duì)于EMI信號(hào)來說，電感呈高阻抗，電容呈低阻抗，所以在進(jìn)行EMI濾波器電路結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)遵循下列原則：若源內(nèi)阻和負(fù)載是阻性或感性的，與之端接的EMI濾波器接口就應(yīng)該是容性的；若源內(nèi)阻和負(fù)載是容性的，與之端接的濾波器接口就應(yīng)該是感性的。傳統(tǒng)的EMI濾波器由共模電容、差模電容、共模電感和差模電感等分立元件構(gòu)成，但是由于分立元件數(shù)量多、體積大，引線長造成的分布電感和分布電容對(duì)整個(gè)濾波器的濾波效果產(chǎn)生很大的影響，所以選擇使用共模差模合成扼流圈，這種扼流圈是在共模磁芯里面加了一個(gè)差模磁芯。為了使得共模電感和差模電感的相互影響最小，易于解耦分析共差模電路，合成扼流圈的上下兩個(gè)繞組應(yīng)該相互對(duì)稱，這樣，差模電感對(duì)于共模電流沒有影響，共模電感對(duì)于差模電流也沒有影響，共差模相互獨(dú)立。傳統(tǒng)的EMI測試方法有兩種：阻抗穩(wěn)定網(wǎng)絡(luò)法（LISN）和電流探頭法。其中，阻抗穩(wěn)定網(wǎng)絡(luò)法必須在屏蔽室內(nèi)進(jìn)行，利用LISN測量出被測設(shè)備沿著電源線向電網(wǎng)發(fā)射的干擾電壓，測量的頻率范圍是10kHz~30MHz，其主要作用是為了隔離待測試的設(shè)備和輸入電源或者電網(wǎng)，濾除由輸入電源線或者電網(wǎng)線引入的噪聲干擾，并且在50電阻上提取噪聲的相應(yīng)信號(hào)值送到接收機(jī)進(jìn)行分析[59]?，F(xiàn)今最常用的單級(jí)EMI濾波器結(jié)構(gòu)如下圖所示。其中，為差模電容，為共模電容，為共模電感，為差模電感。圖5.10EMI濾波器基本結(jié)構(gòu)根據(jù)抑制干擾信號(hào)的不同，可以將上圖中的EMI濾波器電路分成共模等效電路和差模等效電路。如圖5.11和圖