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)絡組成傳導共模噪聲提取網(wǎng)絡，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共模噪聲電流所引起的線上輻射噪聲，并可采取相應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，提取分析其傳導共模噪聲電流，根據(jù)分析結(jié)果設計相應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)系預估逆變器的輻射噪聲，并設計相應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EMI噪聲機理分析
對于傳導噪聲電流，根據(jù)電磁兼容理論，可將其分為差模傳導噪聲電流與共模傳導噪聲電流。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慕涣麟姡ㄟ^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，導線的物理長度將與波長的幾何尺寸可比，則沿導線上的電流分布不再均勻一致。為此可將導線均勻分成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準開闊實驗場中，考慮地面的反射效應，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為開闊實驗場標準測試距離；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
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(即Mardiguain分離網(wǎng)絡)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。