光伏逆變器輻射噪聲診斷與抑制方法

摘要：針對光伏逆變器線上輻射噪聲問題，根據(jù)其輻射噪聲產(chǎn)生機理，提出了一種新型診斷方法，該方法利用高頻電流探頭和共模噪聲提取網(wǎng)絡(luò)組成傳導(dǎo)共模噪聲提取網(wǎng)絡(luò)，用于提取光伏逆變器上位于輻射頻段的共模噪聲電流。根據(jù)輻射噪聲與共模噪聲電流的關(guān)系，即可較為快速地診斷光伏逆變器中由傳導(dǎo)共模噪聲電流所引起的線上輻射噪聲，并可采取相應(yīng)的措施對該類型噪聲進行抑制。利用所提出的分析方法，針對某型號3 kW逆變器進行實驗，提取分析其傳導(dǎo)共模噪聲電流，根據(jù)分析結(jié)果設(shè)計相應(yīng)濾波器對其共模噪聲進行抑制。測試抑制前后逆變器輻射噪聲可發(fā)現(xiàn)，利用所提出的分析方法可有效抑制逆變器輻射噪聲。
關(guān)鍵詞：逆變器；電磁干擾；噪聲分離

1 引言
在逆變器中，需要用到大量的電力電子器件以實現(xiàn)電能轉(zhuǎn)換，而在這些電力電子器件開關(guān)過程中，會產(chǎn)生大量的EMI噪聲，其中頻率較低的噪聲以噪聲電流的形式在電路中傳輸，通常將此類噪聲稱為傳導(dǎo)EMI噪聲，而頻率較高的噪聲不僅在電路中進行傳輸，而且還將通過電力線輻射到空間場中，形成輻射EMI噪聲。
目前，對于光伏逆變器電力線輻射EMI的研究都未應(yīng)用于輻射噪聲頻段，其測量值是噪聲電壓信號，未將其轉(zhuǎn)化為電流信號。此處提出了一種利用高頻電流探頭及噪聲分離網(wǎng)絡(luò)所組成的輻射噪聲快速診斷系統(tǒng)，利用該系統(tǒng)提取光伏逆變器在輻射頻段中的傳導(dǎo)共模噪聲電流，根據(jù)共模噪聲電流與輻射噪聲之間的關(guān)系預(yù)估逆變器的輻射噪聲，并設(shè)計相應(yīng)濾波器以抑制輻射噪聲。

2 光伏逆變器共模噪聲產(chǎn)生機理
2．1 傳導(dǎo)EMI噪聲機理分析
對于傳導(dǎo)噪聲電流，根據(jù)電磁兼容理論，可將其分為差模傳導(dǎo)噪聲電流與共模傳導(dǎo)噪聲電流。前者產(chǎn)生在火線與中線上，后者是火線與地線及零線與地線上的電流噪聲之和，即：
IDM=IL-IN，ICM=(IL+IN)／2 (1)
式中：IL，IN為線路中火線-地線、中線-地線上的噪聲電流。
以所測量的基于PWM控制光伏逆變器為例來說明共模噪聲電流在電力線上傳輸機理，其拓撲結(jié)構(gòu)如圖1所示。該電路由逆變橋(V1～V4)、濾波電容Cin，Co、濾波電感Lo及控制電路組成。光伏組件接收太陽能并將其轉(zhuǎn)化為直流電，通過Cin整流穩(wěn)壓后，進入逆變橋，PWM控制電路產(chǎn)生相應(yīng)的驅(qū)動電路控制逆變橋的開關(guān)管使直流電逆變?yōu)樗枰慕涣麟?，通過由Lo及Co組成的L型濾波器給負載供電或進行并網(wǎng)。
在該電路中，由于控制波形的上升時間較短，這里所采用驅(qū)動電路控制波形上升時間為8 ns，其噪聲頻帶可達39 MHz。該噪聲通過開關(guān)管及由散熱器與地線之間產(chǎn)生的耦合電容Cs，形成ICM，從而產(chǎn)生共模噪聲。
2．2 電力線輻射噪聲與共模電流的關(guān)系
根據(jù)圖1中所示的共模電流流向可知，由于參考地面的阻抗小于安全地線的電感阻抗，所以共模電流通過火線與零線后，最終流向參考地面，這種共模電流的流向是導(dǎo)致輻射EMI的主要原因。相對于共模電流而言，差模電流由于在火線與零線之間傳播，其對于輻射噪聲的影響可忽略。

共模電流沿傳輸線向自由空間發(fā)射出輻射場，場強的計算公式為：

式中：Z0為自由空間波阻抗；l為導(dǎo)2線長度；I為電流；r為測試距離；β0=2π／λ，λ為相關(guān)頻率信號波長。
隨著頻率的增加，導(dǎo)線的物理長度將與波長的幾何尺寸可比，則沿導(dǎo)線上的電流分布不再均勻一致。為此可將導(dǎo)線均勻分成n個小段，采用射頻電流探頭在每小段的中間位置測量其各自電流，設(shè)分別為，I1，I2，…，In，如圖2所示。

將測試所得各小段輻射電磁場大小換算至標(biāo)準(zhǔn)開闊實驗場中，考慮地面的反射效應(yīng)，即可得到等效輻射場結(jié)果如式(3)所示：

式中：|Ec|為輻射電場；l為每小段等效天線長度；f為測試頻率；r為開闊實驗場標(biāo)準(zhǔn)測試距離；H為測試天線高度；F為計算開闊實驗場測試環(huán)境下的修正因子。

3 共模噪聲提取
3．1 噪聲分離網(wǎng)絡(luò)
由線路直接測量所得到是共模和差模信號的混合信號，無法直接檢測共模和差模信號的具體分量，所以要采用噪聲分離網(wǎng)絡(luò)將共模信號與差模信號分離出來。利用文獻所采用的分離網(wǎng)絡(luò)(即Mardiguain分離網(wǎng)絡(luò))對噪聲信號進行分離，其電路結(jié)構(gòu)如圖3a所示。

該分離網(wǎng)絡(luò)由一個2：1射頻變壓器構(gòu)成，將UL-G和UN-G噪聲信號輸入到射頻變壓器初級輸入端，其共模噪聲可由該射頻變壓器初級中心抽頭分離輸出，差模噪聲由次級分離輸出。