家用光伏逆变器的CQC及CE认证

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0121111350421毕业设计题目家用光伏逆变器的CQC及CE认证学院自动化专业电气工程及其自动化班级电气1104班姓名雷李军指导教师黄亮2015年月日学位论文原创性声明本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包括任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。作者签名：年月日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保障、使用学位论文的规定，同意学校保留并向有关学位论文管理部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权省级优秀学士论文评选机构将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。本学位论文属于1、保密囗，在年解密后适用本授权书2、不保密囗。（请在以上相应方框内打“√”）作者签名：年月日导师签名：年月日摘要随着社会的进步和科技的发展，当今世界的主要能源石油资源已日趋枯竭，能源短缺问题已成为主要问题，寻找一种可替代的能源已迫在眉睫。太阳能作为一种可再生清洁能源，以其取之不尽，用之不竭的优点，在今后的日常生活中必将占据至关重要的地位。但是太阳能过于分散，为了更有效地利用太阳能，家用太阳能光伏发电系统必将得到广泛使用，而逆变器作为太阳能光伏发电系统的核心配件将具有无可比拟的重要作用。欧盟和中国作为最主要的能源消耗地区，对家用太阳能光伏发电系统都有较为深刻的认识，并且对光伏系列产品均有较为完善的认证体系。中国以CQC认证为主，而欧盟则以CE认证为主，两者作为世界上最主要的认证体系，对家用光伏逆变器的发展有着不可小觑的影响。因此，研究家用光伏逆变器的CQC及CE认证显得至关重要。本文研究了国内外逆变器的研究现状以及CQC及CE认证的要求，并着重研究了CQC及CE认证对光伏并网逆变器的EMC要求以及两者的不同之处，同时也研究了光伏逆变器的孤岛效应产生、危害，以及孤岛检测的原理、盲区及方法。最后着重对双向转换电源进行了EMC设计，主要是滤波设计使其符合CQC及CE认证的要求，其中包括了直流侧滤波器、交流侧滤波器以及EMI滤波器，并对它们的基本原理、种类等进行了说明。关键词：光伏逆变器；CQC认证;CE认证；滤波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目录第一章绪论 对6kw功率48VDC/220VAC双向转换电源进行CQC及CE认证研究，并且分别查找到了CQC认证及CE认证的标准文件，并对现有的48VDC/220VAC双向转换电源进行EMC设计，主要是滤波设计，使产品基本符合CQC及CE标准认证要求。第二章光伏逆变器的CQC及CE认证2.1认证的重要性中国光伏产业发展很迅速，已成为继欧洲和日本之后的世界第三大光伏产品生产国。中国政府对光伏发电的发展也非常重视，近几年，国家发改委实施了“光明工程”、“送电到乡”等工程项目，各级地方政府也陆续启动了光伏照明项目用以支持我国光伏产品的推广。与此同时，偏远地区的消费者也逐步认可了光伏产品，越来越多的居民开始使用家用太阳能电源等产品。可以说，在各方的努力和支持下，中国的光伏应用市场发展的极为迅速。但是，在光伏产业快速发展的背后，劣质光伏产品的肆意横行成为行业发展的重大隐患。随处可见许多不具备条件的光伏企业借此机会，在消费者尚不具备辨别产品优劣的情况下，依靠虚假宣传、低廉的价格，用劣质的光伏组件与正规的生产企业竞争，严重破坏了市场秩序，损害了消费者的利益，光伏行业的形象也因此遭受了严重的打击，长此以往，必将影响整个行业的健康发展。与国内形成鲜明对比的是，国外的光伏认证体系现已经发展成熟，认证结果被广泛的采纳，我国的光伏企业生产的产品销售到国外首先需要获得相应的认证资质，否则产品将很难被客户接受。这样，不仅加重了我国企业的经济负担，而且还可能因为认证的周期过长的原因，使企业错失商机，严重影响未来发展。因此，建立一套适合我国国情的、科学合理的光伏产品认证体系，同时适时采用国外相对成熟的认证体系，对规范市场和保证太阳能光伏产业健康有序的发展，打破国际技术性贸易壁垒，将起到至关重要的作用[20]。2.2光伏逆变器的CQC认证2.2.1认证模式光伏并网逆变器的认证模式为：产品型式试验+初次工厂检查+获证后监督[21]。认证的基本环节包括：a.认证的申请b.产品型式试验c.初始工厂检查d.认证结果评价和批准e.获证后的监督2.2.2对逆变器电性能的要求CNCA/CTS0004－2009A《并网光伏发电专用逆变器认证技术条件》对逆变器的电性能规定如下[22-26]:1)转换效率。无变压器型逆变器最大转换效率应不低于96%，含变压器型逆变器最大转换效率应不低于94%。2)并网电流谐波。输出电压波形畸变率及各次谐波满足国标GB/T14549－1993《电能质量－公用电网谐波》的要求;逆变器额定功率运行时，注入电网的电流谐波总畸变率限值为5%。3)功率因数。当逆变器输出有功功率大于其额定功率的50%时，功率因数不小于0.98(超前或滞后);输出有功功率在20%～50%时，功率因数不小于0.95(超前或滞后)。4)电网电压响应。逆变器对异常电压的反应时间应满足表2.1的要求，在电网电压恢复到允许的电压范围时逆变器应能正常启动运行。表2.1逆变器对异常电压的反应电压U(交流电压输出端)允许最大跳闸时间/sU＜0.5×U正常0.10.5×U正常＜U＜0.85×U正常2.0U=0.85×U正常继续运行V(U=1.1×U正常)继续运行1.1×U正常＜U＜1.35×U正常2.01.35×U正常＜U0.055)电网频率响应。电网频率在额定频率变化时，逆变器的工作状态应满足表2.2的要求表2.2电网频率响应频率/Hz逆变器响应＜48逆变器0.2s停止运行48～49.5逆变器运行10miin后停止运行49.5～50.2逆变器正常运行50.2～50.5逆变器运行2min后停止运行，此时处于停运状态的逆变器不得并网＞50.5逆变器运行0.2s内停止运行，此时处于停运状态的逆变器不得并网6)电压不平衡度。输出电压三相不平衡度满足国标GB/T15543－2008《电能质量－三相电压允许不平衡度》的要求。7)直流分量。并网运行时，光伏逆变器向电网馈送的直流电流不应大于逆变器输出电流额定值的0.5%。8)防孤岛效应。逆变器应具有孤岛防护功能，并在电网失压时能在规定的时间内与电网断开。2.2.3设备要求进行光伏并网逆变器认证时，需要有一定的设备条件。为满足标准规定的测试项目要求，测试机构需具备专业的仪器设备，如电能质量分析仪、模拟交流电网、防孤岛效应检测设备、低电压穿越检测设备、接触电流测试仪、绝缘电阻测试仪、直流稳压电源、高低温交变湿热试验箱、温升测试设备等。根据相关标准要求，逆变器的制造单位最好也具备以上测试仪器，以便能随时了解样机的性能指标。检测机构也可以利用逆变器制造单位的测试仪器对样机进行现场测试或目击测试等[27]。2.3光伏逆变器的CE认证为了争取顺利进入德国和意大利等欧盟主要光伏市场，国内光伏产品制造商必须通过欧盟的CE认证。光伏产品所涉及的新方法指令主要有低电压指令和电磁兼容指令，需依据OJEU协调标准进行测试以证明其符合相关指令要求，并取得CE认证[28]。2.3.1低电压指令低电压电气指令2006/95/EC覆盖了所有标称供电交流电压为50～1000V和所有标称直流电压为75～1500V的电气产品，其目标是确保电气设备综合安全、设计和结构安全以及信息安全。协调标准是由欧洲标准化组织所制定并在欧盟官方公告上公布的欧洲标准，是欧洲标准中具有法律效力的技术规范，但又保持着自愿采用的地位。光伏产品LVD指令的协调标准参见表2.3。表2.3低电压指令下光伏产品的协调标注标准号标题EN60269-6：2011低压熔断器．光伏型太阳能源系统保护用熔断连杆的补充要求EN61730-1：2007光电(PV)模件安全合格鉴定第一部分：结构要求EN61730-2：2007光电(PV)模块安全鉴定一第2部分：试验要求EN62109-1：2010光伏电力系统用电源转换器的安全性．第l部分：一般要求EN62109-2：2011光伏电力系统用电力变流器的安全．第2部分：反用换流器的特殊要求2.3.2电磁兼容指令电磁兼容指令(2004/l08/EC)包含了电磁干扰(EMI)和抗干扰(EMS)两方面。鉴于目前欧盟对于光伏产品并没有颁布相应的电磁兼容专有标准，而只能采用通用标准。目前，OJEU中提到的应用于PV逆变器的通用标准如表3.4所示。轻工业通标偏重于产品对外界的辐射限定，在电磁波发射方面限500kw、250kW产品一般使用环境为重工业环境，应采用重工业通标；20kw、5kw等小功率产品一般使用环境为商业或者轻工业环境，则应当采用轻工业通标。表3.4电磁兼容指令下光伏产品的协调标注标准号标题EN61000-6-1：2007电磁兼容性（EMC)-第6-1部分：通用标准.住宅，商业和轻工业环境的抗扰度EN61000-6-2：2007电磁兼容性（EMC)-第6-2部分：通用标准.准居住．商业和轻工业环境用发射标准EN61000-6-3：2007电磁兼容性（EMC)-第6-3部分：通用标准.准工业环境的抗扰度EN61000-6-4：2007电磁兼容性（EMC)-第6-4部分：通用标准.工业环境的发射标准2.3.3认证模式CE认证的合格评定可细分为8种基本模式,即生产内部控制、EEC型式检验、符合型式要求、生产质量保证、产品质量保证、产品验证、单件验证及正式质量保证。这些不同的模式结合在一起可形成一个完整的程序。每个新方法指令中都规定了适用的合格评定程序的范围和内容。通常情况下,合格评定程序在设计和生产阶段发挥作用,有的模式只涉及生产阶段,有的模式涉及到设计阶段和生产阶段,其目的就是要求制造商采取一切必要的措施保证其产品合格。产品符合协调标准或经过适当的合格评定程序,即可加贴“CE”标志[29]。(一)工厂自我控制和认证。ModuleA(内部生产控制):1.用于简单的、大批量的、无危害产品,仅适用应用欧洲标准生产的厂家。2.工厂自我进行合格评审,自我声明。3.技术文件提交国家机构保存10年,在此基础上,可用评审和检查来确定产品是否符合指令,生产者甚至要提供产品的设计、生产和组装过程供检查。4.不需要声明其生产过程能始终保证产品符合要求。ModuleA:1.厂家未按欧洲标准生产。2.测试机构对产品的特殊零部件作随机测试。(二)由测试机构进行评审。ModuleB(EC型式评审):工厂送样品和技术文件到它选择的测试机构供评审,测试机构出具证书。注:仅有B不足于构成CE的使用。ModuleC(与型式[样品]一致)+B:工厂作一致性声明(与通过认证的型式一致),声明保存10年。ModuleD(生产过程质量控制)+B:本模式关注生产过程和最终产品控制,工厂按照测试机构批准的方法(质量体系,EN29003)进行生产,在此基础上声明其产品与认证型式一致(一致性声明)。ModuleE(产品质量控制)+B:本模式仅关注最终产品控制(EN29003),其余同ModuleD。ModuleF(产品测试)+B:工厂保证其生产过程能确保产品满足要求后,作一致性声明。认可的测试机构通过全检或抽样检查来验证其产品的符合性。测试机构颁发证书。ModuleG(逐个测试):工厂声明符合指令要求,并向测试机构提交产品技术参数,测试机构逐个检查产品后颁发证书ModuleH(综合质量控制):本模式关注设计、生产过程和最终产品控制(EN29001)。其余同ModuleD+ModuleE。其中,模式F+B,模式G适用于危险度特别高的产品。2.3.4CE认证流程制造厂商透过在产品贴上CE标志的方式,标明此项产品完全符合欧盟指令的相关规定。如果规定允许,CE标志也可标示在包装或随附文件上。CE标志幷非测试标志,只是标明此制造厂商宣示其产品符合所有相关的法规，CE认证流程如图2.1所示。图2.1CE认证流程图第三章CQC及CE认证对光伏并网逆变器的EMC要求目前，光伏并网逆变器的设备认证实施规则已经制定完成，有关的检测机构已经具备了相应的测试能力，认证工作已经全面开始。并网光伏逆变器设备认证得到我国和部分国家光伏行业认同。而欧盟对并网光伏逆变器设备认证中的EMC要求目前还没有单独的规范，因此现在出口到欧盟的光伏并网逆变器设备依据的检测标准都是通用标准。3.1CE认证对光伏并网逆变器的EMC要求（1）测试标准欧盟根据使用环境的不同，采取了不同的标准，主要分为“居住、商业及轻工业”和“工业”两种应用环境，相应测试标准见表3.1所示。表3.1并网光伏逆变器CE认证EMC测试标准（2）测试项目及要求用于居住、商业及轻工业环境中的逆变器发射类测试要求见表3.2；用于工业环境中的逆变器发射类测试要求见表3.3；用于工业环境中的逆变器抗扰度要求见表3.4；用于居住、商业及轻工业环境中的逆变器抗扰度要求见表3.5。表3.2用于居住、商业及轻工业环境中的逆变器发射类测试要求表3.3用于工业环境中的逆变器发射类测试要求 表3.4用于工业环境中的逆变器抗扰度要求表3.5用于居住、商业及轻工业环境中的逆变器抗扰度要求续表3.5用于居住、商业及轻工业环境中的逆变器抗扰度要求（3）抗扰度判据说明A:干扰施加过程中及干扰施加结束之后，逆变器性能或功能无异常。B:干扰施加过程中允许逆变器出现性能或功能暂时降低，但干扰施加结束之后应能自行恢复正常而不需要人为干预。C:干扰施加过程中允许逆变器出现性能或功能暂时降低，但干扰施加结束之后不能自行恢复，需要操作人员干预才能恢复。（4）测试差异从表3.2与表3.3可以看出，在不同的应用环境下，CE认证对并网光伏逆变设备的电磁发射要求存在明显差异，主要体现在以下三个方面：i.相同测试项目的限值有较大差异，例如：辐射发射和传导发射项目测试，用于工业环境中的要求较低，而用于商业环境中的要求就比较高，这个差异主要是从无线接收机的使用数量及保护无线接收机的角度来考虑的；ii.用于居住、商业及轻工业环境中的逆变器对DC电源端口传导发射测试项目有明确的要求，而用于工业环境则对这个项目的测试不作要求。因为居住、商业及轻工业环境中的一些直流设备会通过直流源集中供电，那么设备自身产生的干扰就会通过直流端口沿着电源线影响到其它直流设备的正常工作；iii.用于居住、商业及轻工业环境中的逆变器需要进行谐波及闪烁项目测试，而用于工业环境则对这两个项目测试不作要求。由于居住、商业及轻工业环境中交流用电设备都是连接到公用电网上，电网上的谐波分量大小会直接影响接入电网的交流用电设备能否正常工作，因此对接入公用电网的交流用电设备提出明确的电流谐波及电压波动与闪烁要求。此外，根据表3.4和表3.5可以得出，由于工业环境相对更恶劣一些，因此应用于此环境中的设备要求抗干扰能力更强一些。用于居住、商业及轻工业环境中的逆变器信号端口无浪涌测试需求，而用于工业环境中的逆变器信号端口则有浪涌测试需求。3.2CQC认证对光伏并网逆变器的EMC要求（1）测试标准CNCA/CTS0004-2009A《并网光伏发电专用逆变器技术条件》。（2）测试项目及要求CQC认证对电磁发射测试的应用环境分类与CE认证相同，只是对应环境下的限值要求有所差异。CQC认证对用于居住、商业及轻工业环境中的逆变器发射类测试要求见表3.6，用于工业环境中的逆变器发射类测试要求见表3.7。抗扰度要求见表3.8。表3.6用于居住、商业及轻工业环境中的逆变器发射类测试要求表3.7用于工业环境中的逆变器发射类测试要求表3.8抗扰度要求3.3CE认证与CQC认证EMC要求的差异CE认证和CQC认证在并网光伏逆变器EMC要求上产生差异的一个非常重要的原因就是CQC认证中采用的是专用标准，而欧盟CE认证则采用通用标准。由于CE认证的协调标准体系并未纳入专门针对并网光伏逆变器设备的标准，因此，与CQC认证相比，其EMC要求的针对性相对较弱。两者对EMC要求的主要差别如下[30]：1）CQC认证未对交流电源端口和直流电源端口测试单独进行区分，而CE认证区分交流电源端口和直流电源端口；2）CQC认证对谐波及闪烁发射测试项目不作要求，而CE认证对此则有明确要求；3）CQC认证对电压跌落及中断抗扰度测试项目有明确要求，而CE认证对此则不作要求；由于逆变器设备是直流输入、交流输出，即输出端一般要连接到公用电网上，这一点与传统的交流供电设备是不同的，可能是基于这一点考虑，CQC认证未对电压跌落及中断抗扰度测试项目测试提出要求，而CE认证采用的是通用标准，因此对此项目有测试要求；4）CQC认证对信号端口的传导发射测试项目不作要求，而CE认证中对此则有明确要求；5）CQC认证对用于工业环境的逆变器浪涌抗扰度测试项目不作要求，而CE认证对此则有明确要求；6）CQC认证中对电压波动抗扰度测试项目有明确要求，而CE认证对此则不作要求；7）CQC认证中对阻尼震荡波抗扰度测试项目有明确要求，而CE认证对此则不作要求。第四章光伏逆变器的孤岛效应所谓孤岛效应，是指电网因故障而意外突然断开后，逆变器未能在规定时间内正确检测出电网当前状态而仍持续工作，以致电网输电线路的某一部分可能仍处于带电状态，这样并网逆变器与负载形成一个独立的自给供电系统[31]。随着并网逆变器在发电系统中的广泛采用，孤岛效应的发生几率也不断增加，而其造成的危险已不容忽视。因此，能及时准确检测出孤岛效应显得非常重要。4.1孤岛效应的产生及其危害如图4.1所示，光伏并网发电系统主要由PV太阳能板、并网逆变器以及负载组成。当电网跳脱，开关仍处于闭合状态时，逆变器若持续工作，则系统处于孤岛状态。图4.1光伏发电系统简图孤岛效应的产生可能是由以下几种情况造成的[32]：(1)市电电网由于故障停止供电，并网逆变器却仍通过断路器向电网传输电能，导致逆变器的输出容量远小于供电电网系统的容量，且这种状态可能持续很长时间；(2)开关意外断开，逆变器却未能成功检测，导致逆变器同周围负载一起形成一个自给供电的系统，即孤岛。孤岛一旦发生，可能对整个配电系统设备及各用户端设备造成不同程度的损坏，甚至存在一系列的安全事故，并且可能会带来事故纠纷[31]：1)设备损坏(a)电网供电中断后突然恢复供电时，由于孤岛运行的局部电网相位（频率）与主电网失步，导致在与主电网再次连接时将产生很大的浪涌电流，相关设备将受到严重的损坏。(b)孤岛一旦发生，电网将失去对电压和频率的控制，这可能造成用户用电设备的损坏，电力公司也将因此而卷入“代人受过”的纠纷。2)人身安全伤害。电网因某种故障停止工作时，若此时逆变器仍持续不断地工作，则输电线路某一部分可能仍处于带电状态，这可能会威胁到电网工作人员的生命安全。因此，光伏并网发电系统中，反孤岛方案显得十分重要，各国也对防治孤岛效应制定了相应的标准。美国电气及电子工程协会IEEE（InstituteofElectricalandElectronicsEngineers）针对与电网接口的“无孤岛逆变器”制定了相关的标准。其中，光伏系统并网标准IEEEStd.929—2000中规定：(1)逆变器输出有功功率与负载（品质因数小于等于2.5）需求匹配度小于0.5，并且负载的功率因数在0.95以上，则逆变器检测孤岛是否发生的时间应小于2s，否则将对电网停止供电。(2)逆变器输出有功功率与负载需求匹配度大于0.5，或者负载的功率因数在0.95以下，则在10个周波内，逆变器必须切断输出。4.2孤岛检测原理光伏并网发电系统如图4.2所示，主要由光伏并网逆变器、负载、并网断路开关和电网四部分组成[33]。其中，本地负载用并联RLC电路等效替代。图4.2光伏并网发电系统等效示意图逆变器输出的有功功率为、无功功率为；电网向负载提供的有功功率为、无功功率为；负载所需消耗的有功功率为、无功功率分别为。同时作如下假设：(1)并网逆变器按单位功率因数输出，即电网频率与RLC负载的谐振频率相等；(2)RLC负载的品质因数：负载消耗的无功功率与有功功率的比值，即：(3)同逆变器输出功率完全匹配的负载参数为R、L、C，不匹配的负载为R+△R、L+△L、C+△C。当并网断路器闭合，光伏系统并网正常工作时，（4.1）（4.2）（4.3）（4.4）一旦电网由于出现故障或掉电而停止工作时，此时，RLC负载新的谐振频率为：（4.5）由公式（4.4）、（4.5）可得：（4.6）光伏并网逆变器出现过频（OFR）和欠频（UFR）时的频率值分别为、，即为继电器在相应时刻的动作值。如果负载功率与逆变器输出功率的不匹配并且满足以下不等式时，频率的变化没有超出继电器的正常工作范围，则继电器不动作。（4.7）若忽略△C，即令△C=0，则：（4.8）即：（4.9）由无功功率公式得：（4.10）根据的定义，即,则上式可简化为：（4.11）所以：（4.12）令，则：（4.13）同上，通过推导，能得到电压和有功功率的关系式，过程如下：当电网正常工作时，逆变器输出功率为;孤岛发生时，负载功率为，假设逆变器的输出功率不变，则：（4.14）可简化为：（4.15）正常工作时，电网提供给负载的功率为：（4.16）则负载有功功率不匹配度为：（4.17）将公式(4.15)代入上式中可得：（4.18）光伏逆变器过压、欠压时的电压值分别为、，即此时继电器的动作值。如果电网由于某种原因停止工作时，负载的不匹配度满足不等式（4.19），即电压的变化没超过继电器的正常工作范围，则继电器不动作。（4.19）由以上可知，电压变化同有功功率匹配度有关，而频率变化与无功功率的匹配度有关。当逆变器输出功率与RLC负载功率需求相差很大时，以致RLC负载的端电压、频率值超出相应的继电器的正常工作范围，则继电器将动作，致使光伏并网逆变器与电网断开，停止工作。反之，若逆变器输出功率与RLC负载功率需求相差较小时，并满足不等式(4.13)和(4.19)，即RLC负载电压、频率的变化在继电器的正常工作范围内，则继电器将失效，逆变器仍持续工作，孤岛检测失败，系统进入孤岛检测盲区NDZ（Non-detectionZone）4.3孤岛检测盲区检测区盲区（Non-detectionZone，简称NDZ）是指存在某一区域，在此区域中某种孤岛检测方法不能检测出孤岛效应的发生。因此，检测盲区可以被用来衡量一种孤岛检测方法的好坏，孤岛检测方法的盲区越小，则此方法的可取性越高。由4.2节分析可知，电网断电前后光伏并网逆变器输出功率的变化决定了电网停止工作后逆变器输出电压和频率的变化。若负载条件或控制方式不同，则在相同的工作范围内，所需要的逆变器输出功率和负载功率的不匹配程度是不同的，即光伏逆变器的孤岛检测盲区不相同。图4.3防止孤岛效应非检测区图示检测盲区通常用如图4.3所示的功率失配区间△P、△Q包围的区域来表示。图中的△P、△Q分别为市电电网向RLC负载提供的有功功率和无功功率，阴影部分为孤岛检测盲区，OF、UF、OV、UV分别表示过频、欠频、过压和欠压区。在非检测区域内，若所处位置非常接近△P=△Q=0，则此时耦合点a的电压、频率几乎不发生变化，这增加了判断系统是否处于孤岛效应状态的难度，容易导致检测失败。此外，由公式和可得：在不同负载的情况下，比如负载参数R、L、C取值不同，则相同的△P、△Q产生的电压、频率的变化量是不同的。如果是在电压、频率阈值范围设定相同的情况下，系统判断孤岛是否存在，得到的检测结果是不一样的。因此，△P、△Q来描述盲区存在很大的弊端。一般情况下，孤岛效应方法的检测盲区应尽可能的小，但是现实中，电网的情况很复杂，若将检测盲区设定的太小，则会引起孤岛保护的“误动”。4.4孤岛效应检测方法随着光伏并网发电装置在发电系统中的推广和普及，孤岛效应发生的机率也逐渐增加，已不可能忽视其带来的安全隐患。当前，孤岛检测技术主要分为两类：被动式和主动式。前者主要是通过监控电网的某些状态参量的变化，譬如：电压、频率，来判断系统是否处于“孤岛效应”的状态。后者主要是通过并网逆变器定时产生扰动信号，观察电网某些参数是否受到影响，来判断孤岛效应的发生。4.4.1被动式孤岛检测与保护通过监控电网状态参数来判断孤岛是否发生的方法为被动式孤岛检测法。但是，被动式检测法存在较大的非检测区域（Non-DetectionZone，简称NDZ）。对于并网逆变器的被动式孤岛检测方法来说，系统无需增加额外的硬件电路。根所选参数不同，可分为以下几种[33-35]：(1)过压、欠压和过频、欠频检测过压/欠压、过频/欠频孤岛检测是通过保护电路来实时监控光伏并网发电系统。异地开关由于某种原因而跳闸，并且光伏并网发电系统输出功率与负载功率需求不匹配时，电网的相关参数将发生变化，此时可以通过系统软、硬件规定的电网电压的过/欠压保护电路或过/欠频保护电路设置值及时地检测出孤岛效应的发生，同时，继电器动作，在规定的时间内断开逆变器的输出。光伏并网逆变器运行示意图如图2.2所示。其中，S为断路开关。当断路开关闭合时，光伏系统并网运行，此时光伏并网逆变器输出功率为，RLC负载消耗的功率为，电网给RLC负载提供的功率为，则RLC负载的有功、无功功率的计算公式为：（4.20）（4.21）式中，Va为耦合点a处的电压值。当电网工作正常时，耦合点处电压Va的频率、大小始终受电网控制，其值基本保持不变。但是，一旦电网发生故障或失压时，由公式（4.20）可得出，电网断开前，并网逆变器输出的有功功率与负载所需求的不匹配，即因此，电网断开后，Va的值必定将会变大或变小，直到有功功率达到新的平衡状态。同理，若无功功率出现不平衡，则并网逆变器为了保持单位功率因数输出，频率将发生变化，直到达到新的平衡状态。因此，通过监控耦合点处的电压或频率变化就能判断系统所处状态。但是，当负载所需的功率与并网逆变器输出的功率的不匹配度很小时，即公共点a处的电压、频率变化很小，未超出继电器的正常工作范围，此时继电器不动作，并网逆变器仍向电网输送电能，孤岛检测失败。过压、欠压和过频、欠频孤岛检测法简单，易于实现，成本低，但是存在一定的弊端，对于非纯阻性负载，检测盲区较大，并且不可预测系统孤岛检测所需时间。(2)相位偏移检测法[36]相位偏移法的基本思想是：监控逆变器输出电流和端电压间相位差的变化。系统正常工作时，为让并网逆变器实现单位功率因数输出，电流控制型逆变器检测耦合点a处电压的过零点，使逆变器的输出电压和电流同电网的同相，即并网逆变器的输出电压和电流相位差为零。孤岛发生时，逆变器输出电压电流的相位差由负载决定，通过检测电压电流之间的相位差是否超出一定的范围，就能判断故障的发生，进而使逆变器切断输出。相位偏移检测法的软件硬件实现简单。光伏并网逆变器自身需要通过锁相环PLL来实现输出电压、电流同电网同频同相，因此，要实现相位偏移孤岛检测只需增加一功能：光伏并网逆变器输出电流与耦合点a处电压之间的相位差一旦超过所设定的阈值范围，则逆变器立即停止工作。另外，相位偏移孤岛检测不影响光伏并网逆变器输出电能的质量。相位偏移法也存在弊端，即难以确定相位误差阈值，如果阈值设置的过低，将导致逆变器的误动作。当负载为纯阻性或接近纯阻性时，光伏并网逆变器输出电压和电流之间的相位差很小，以致难以检测孤岛效应的发生。除了以上三种常见的被动式孤岛检测方法外，还有电压谐波检测法[36-38]、检测频率变化的被动式孤岛检测法、基于人工智能和小波分析等的被动式孤岛检测法。4.4.2主动式孤岛检测与保护当逆变器输出功率与负载所需求基本相近时，入网点电压、频率等电网的状态参数变化很小，以致被动式孤岛检测法失效，因此，为了解决此类问题，人们提出主动式检测法。主动式孤岛检测法的基本思想是：对系统的某些状态参数施加一定的扰动，当系统处于正常状态下时，在电网巨大的平衡作用下，扰动信号产生的作用很小，但是一旦电网停止工作，孤岛发生时，扰动信号产生的作用凸现出来，并迅速累积超出允许的工作范围，这样就能判断光伏发电系统是否处于孤岛效应状态。（1）输出功率扰动法[39]输出功率扰动法的基本思想是：对输出电流施加扰动进而促使输出电压参数发生变化。电网正常工作时，并网逆变器输出电流跟随给定信号，此时，并网逆变器输出电流等于；在输出功率扰动算法的作用下，逆变器输出电流正弦参考信号与扰动信号存在一定的误差，即。当功率匹配时，若电网跳脱，则系统不能成功检测出孤岛。但是，若并网逆变器对其电流施加一定的扰动，则耦合点a处的电压值取决于逆变器输出电流和负载，即：（4.22）上式中，入网点a处电压值Va是在原来的基础上添加了一个电压降，以致使电压超出正常工作范围，从而即使在并网逆变器输出功率与负载功率相匹配的情况下也能检测出孤岛状态。对于负载阻抗较大的并网逆变器来说，输出功率扰动法检测盲区很小，但是也存在缺点，对于与电网相连的多个并网逆变器来说，这种方法可能检测失败。相对于总输出功率而言，若单个光伏逆变器起较小作用，则改变单个逆变器输出功率，对整个系统来说，影响很小，以致系统总输出功率变化非常小。但是，如果多个逆变器同市电电网相连，除非保持所有逆变器输出功率扰动同步，否则系统无法识别孤岛。但是，保持多台同步，有一定难度同时增加成本，因此，输出功率扰动法对于多个并网逆变器与电网相连的情况，检测失效。(2)电压正反馈法[40,41]入网点a的电压的波动情况，也是判断电网是否正常工作的一个重要标志。当并网逆变器输出功率同负载消耗的功率相匹配时，电网停止工作，入网点a处前后的电压变化很小，若仅凭电压信号来判断，将无法保证检测结果的准确性和有效性。电压正反馈检测法恰能解决此问题，其基本思想是：周期的给电流施加同相的扰动信号，使耦合点a处电压发生偏移，以致超出所设定的阈值，系统成功识别孤岛效应。假设光伏发电系统的输出电流为：（4.23）当时，；当时，。式中：最大功率跟踪点电流；比例系数；耦合点a处的电压峰值；电网电压峰值；周期扰动量。市电电网跳脱时，针对耦合点a处的电压峰值分别取不同的情况进行分析，其分析结果如下：图4.4正反馈原理图当时某时刻，电网停止工作，系统处于孤岛状态，由于，则下个周期电流的最大值将增大。如图4.4(a)可知，由于电压正反馈的作用，入网点a处电压不断变大，若△U发挥作用，即值从0逐渐上升为，同样，△U也具有正反馈作用，因此，耦合点a处的电压在正反馈的双重作用下发生明显的变化，以致系统能识别孤岛的发生。当时某时刻，电网跳脱，出现孤岛，因为，那么下个周期电流的最大值会减小。如图4.4(b)可知，在电压正反馈的影响下，耦合点a处电压不断减小，若△U发挥作用，即值从0逐渐上升为，同样，△U也具有正反馈作用，因此，耦合点a处的电压在正反馈的双重作用下发生明显的变化，以致系统能识别孤岛的发生。当时某时刻，电网跳脱，孤岛发生，由于，此时通过电压正反馈作用，也无法检测到孤岛效应的发生。但是，若△U每隔一个周期发挥作用，即，能降低逆变器输出电流的大小，进而减小耦合点a处的电压值，系统能成功的检测出孤岛的发生。(3)主动移频式检测法(AFD)[42]大部分逆变器以电流为输出控制对象，通过采样电网电压来实现逆变器输出电流与市电同频同相。主动移频式孤岛检测法控制原理框图如图4.5所示。为了能更好的检测出孤岛效应，使逆变器输出电流频率与电网电压频率不完全相同，两者间存在一定误差，且值的大小在允许范围内，即图4.5AFD孤岛检测方法控制原理图当电网正常工作时，因为电网阻抗很小，所有其有巨大的平衡作用，以致逆变器输出电流频率对电网频率的影响可以忽略不计，在加上PLL在系统中的调节作用，误差△f保持在所允许的范围内，光伏发电系统正常运行；当电网因故障停止工作，孤岛发生时，此时DSP反馈的电压值为入网点a处的电压。逆变器输出电流频率变化将对入网点处电压产生一定的影响，在下一个eCAP中断中，将以检测到的逆变器的输出电压为基准，通过加上设定的误差△f来控制下一个工频周期内逆变器的输出电流频率，从而使逆变器输出电流和输出电压不断增大，进而使误差△f进一步增加，该过程不断重复，不断累积增大，直到逆变器输出电压频率超出正常工作范围，检测出系统处于孤岛状态进而实施保护。实际应用中，可以通过插入固定的死区时间或者强迫逆变器输出电流频率比上一周期的电压频率快△f（恒频率偏移）来实现AFD方案，电流给定信号与入网点a处电压的关系[43]如图4.6所示：图4.6光伏发电系统的电流给定信号但是，主动移频式孤岛检测法也存在一定的弊端。对于纯阻性负载来说，AFD均能成功检测出系统是否处于孤岛状态；对于RLC并联负载，AFD存在非检测区，并且RLC负载品质因数越大，孤岛检测越容易失败。主动移频的思想是：对电流频率施加一定的扰动，促使孤岛发生系统重新稳定后的频率发生偏移，直到超出所设定的阈值范围，以致系统能识别出孤岛的发生。RLC负载的品质因数越大，将入网点a处的频率推离RLC电路的谐振频率的阻尼越大，越难检测处孤岛的发生。品质因数与孤岛检测失败的关系图[43]如图4.7所示：图4.7高品质因数RLC容易检测失败的原因孤岛检测成功的关键：电网失压后，入网点a处电压频率出现较大的偏移。主动移频的控制思想是：通过扰动促使电流频率发生偏移，进而改变电压频率。但是，主动移频法不是万能，也存在检测失败的情况，其原因如下：(a)负载阻抗角，即负载呈纯阻性。电压与电流同频同相，基于负载的特性，通过控制电流频率的变化来观察电压的变化，以致相对于上一个周期而言，每个周期频率都发生单向偏移，进而超出所设定的阈值范围，孤岛检测成功。(b)负载阻抗角，即负载呈容性。电流超前于电压，但两者同频同相。负载的相位角决定电流超前电压的角度。因为电流超前，所以电压过零点检测时所得到的检测时刻将延后，即电压周期变大。以致不能通过电压的变化来观察主动式移频算法中给定电流频率的变化，如果AFD对频率施加扰动△f的超前作用同负载阻抗角的滞后作用相互抵消，则相邻周期间电压过零时间间隔保持不变，频率在所设定的阈值范围之内，系统无法识别孤岛。(c)负载阻抗角，即负载呈感性。电流滞后于电压，但两者同频。由于电压超前，电压过零点检测时所得到的检测时刻将提前，从而促使频率在原有基础上进一步偏移，由此可见，此时不存在检测盲区。但是，若AFD算法对电流频率施加反向扰动，道理同负载呈容性的情况类似，AFD对频率施加扰动△f的滞后作用同负载阻抗角的超前作用相互抵消，则相邻周期间电压过零时间间隔保持不变，频率不发生偏移，孤岛检测失败。为了避免以上情况发生而造成AFD检测方法的失效，可以采用带正反馈的主动式移频式孤岛检测方法（AFDPF），其控制策略为，即不定时地分别朝两个相反的方向对逆变器输出电流频率施加扰动，这种方法的优势在于能避免扰动方向与负载性质方向不同而相互抵消的情况。AFDPF原理框图如4.8所示。图4.8AFDPF孤岛效应检测法图中：cf1、cf2为两个不同方向的扰动信号；△f1、△f2为施加扰动信号后，同的误差。在主动移频技术中，表征频率扰动强度的参数为截断系数，符号为cf（choppingfraction）。对于DSP和ARM双核控制的光伏并网逆变器来说，AFDPF算法简单，易于实现，且具有较小的检测盲区，但是也存在一定弊端，就是输出电能的质量会有所下降。(4)主动移相式检测法主动移相式孤岛检测法同主动移频式检测法一样，易于实现、无需增加额外的硬件、检测盲区小等优点。通过对相位施加一定的扰动从而使电压频率发生偏移，直到超出所设定的阈值范围，最后成功的检测出系统是否处于“孤岛效应”的状态。滑动频率偏移法[45-47]（slip-modefrequencyshift，SMS）是一种移相式孤岛检测方法，随着孤岛技术的进步，人们对其算法进行了研究和改进，但是其基本原理保持不变。后来，出现了自动移相法（Automaticphaseshift，简称APS）[44]。下面取SMS为例简单说明主动移相孤岛检测法的原理。定义上周期的逆变器输出电流频率与市电电网频率间误差的函数为并网逆变器输出电流的相位，即：（2.24）式中，最大相位偏移m发生时的频率（一般取，）；主动移频算法移相角的最大值；电网频率；入网点a处的频率。逆变器的输出电流给定是随着周波的变化给出而作相应的调整：通过锁相环（PLL）电路来检测入网点a处的电压的过零上升沿间隔时间，将其作为下一周期给定电流的频率，并且，入网点a处的电压过零点上升沿时刻作为电流周期的起始时刻。若系统不施加SMS算法，并网逆变器输出电流同入网点a处的电压同频同相；若系统中施加了SMS算法，则能促使逆变器输出电流的相位发生偏移。SMS孤岛检测方法示意图如图4.9所示。图4.9SMS孤岛检测方法示意图同主动移频式孤岛检测法一样，电压过零时刻的超前或滞后受两个因素的影响：电流移相算法和负载相位角。若电网停止工作后，光伏发电系统重新达到稳态前，频率一直都在正常工作范围内，则将无法判断系统是否处于孤岛状态。并网逆变器电流控制的等效模型框图如图4.10所示。图4.10SMS孤岛检测方法示意图电流和电压的相位差取决于SMS移相算法和RLC负载相位。(a)时，锁相环电路检测到的电压周期将变短，从而增大下一周期电流给定频率；(b)时，锁相环电路检测到的电压周期相对于上一周期来说有所增大，从而促使下一周期电流给定频率有所变小；(c)时，移相算法所施加扰动产生的影响恰好与负载相位角的作用相互抵消，以致频率几乎保持不变，系统进入稳定运行的状态[48]。主动移相式孤岛检测方法也存在缺陷，随着品质因数升高，孤岛检测的难度也逐渐增大。并且，滑动频率偏移检测法对并网逆变器输出电能质量产生了一定的影响。4.4.3电网侧反孤岛检测法电网侧反孤岛检测法主要是阻抗检测法。阻抗检测法的基本思想是：在电网侧安装一个低阻抗元器件。阻抗插入系统框图如4.11所示，在电网侧b点所示位置通过断路器K2接入一个电容器组件，一般情况下，K1处于断开状态。当断路器开关K1断开时，经过短暂延迟，断路器K2闭合，电容器组接入系统。电网由于某种原因停止工作前，若并网逆变器输出功率同负载需求相匹配，则大电容器组件将破坏系统的能量平衡状态，进而导致频率发生突降，同时系统电流—电压相位发生突变，触发继电器动作，系统进入欠频保护。断路器K1断开和K2闭合间存在一定的延迟，虽然短暂但是不可缺少的一个过程，因为电网侧附加的装置呈容性，对感性负载能起到一定的补偿作用，致使系统无法识别孤岛效应。此种情况下，感性负载很大，且频率在开关切换过程中将发生偏移，而系统正好能利用短暂的延迟时间来检测其变化，进而判断是否处于孤岛状态。理论上，附加部分可以使用类似大电阻的阻抗，这将使入网点a处电压幅值发生变化，但是，使用大电容组件，对电网能起到无功补偿的功能。图4.11阻抗插入方案示意图阻抗检测法也存在一些不足，比如[49]：附加装置提高了系统成本；(b)电网侧串联开关数量增多，从而增加了发生孤岛的几率。(c)电网断路器K1断开与附加大电容组件K闭合之间存在一定的延迟，可能降低了反孤岛方案的快速性；(d)在电网侧安装电容组件，增加了安装的难度，同时也不能排除大电容组件是否对电网存在一定的影响。另外，电网侧还可以利用网络监控数据采集系统（SupervisoryControlandDataAcquisition，简称SCADA）、电力载波通讯（PowerLineCarrierCommunication，简称PLCC）等远程通讯手段来监控光伏太阳能发电系统上所有继电器的状态，进而及时检测出孤岛的发生。第五章双向转换电源的EMC设计由于光照、温度等外界因素的影响，光伏阵列发出的是非线性的直流电，又由于半桥逆变器高开关频率的影响，导致产生的大量高次谐波干扰影响系统的稳定性，因此滤波器就起到了至关重要的作用。本章主要对现有的48VDC/220VAC双向转换电源进行EMC设计，主要是滤波设计，使产品符合CQC及CE标准认证要求。5.1直流侧滤波器5.1.1直流侧滤波器的分类和比较一般直流侧滤波器采用一个大容量的电容C进行平波，还有一种是型滤波器。如图5.1所示。图5.1单电容滤波器和型滤波器结构与传统的C型滤波器相比，型滤波器能更好的滤除高次谐波，并且使用较小容量的电容就能够达到较好的滤波效果，因此本系统采用型结构。5.1.2全桥逆变器型滤波器设计因为型滤波器结构能以较小的滤波电容起到很好的滤波效果[50]，在此着重分析下这种结构。在光伏系统中，入网电流受到直流侧电压的影响，若直流侧电压含有谐波分量，那么通过逆变器之后，交流侧一定会产生谐波电流。当功率开关管频率比较高时，谐波主要分布在开关频率及其整数倍频率附近。型滤波器等效电路图如t图5.2所示。图5.2型滤波器等效电路在一个开关周期内，可把太阳光伏电池板作为稳定的直流恒流源，暂态分析中可认为，因而图5.2所示结构可以等效为：图5.3型滤波器对于图5.3所示的型滤波器，可知电容与串联，然后与电容并联，其中，这样就有等效转移阻抗为：（5.1）（5.2）（5.3）由并联电路特点可知：（5.4）（5.5）联立（5.4）和（5.5）两式可得：（5.6）则有：（5.7）整理可得：（5.8）将代入上式，可得：（5.9）型结构滤波器，由电感和电容组成，在某频段内会发生谐振，即相当于当电容与串联呈电感性时，然后与电容并联发生并联谐振，应该使得谐振频率远离电网频率以及整数倍电网频率，主要为50Hz、100Hz、150Hz、200Hz、250Hz。那么谐振时等效阻抗为：（5.10）当发生并联谐振时，分母为零，则有：（5.11）整理可得：（5.12）进一步可得：（5.13）（5.14）则有并联谐振频率为：（5.15）5.2交流侧滤波器本系统中逆变电路（DC/AC）产生的谐波严重影响了光伏并网系统的正常运行，必须进行有效的抑制，才会使得系统能够稳定、可靠的运行。在理论上，有源滤波器可以有效地抑制谐波，但是由于技术复杂、成本高而未能获得广泛应用。在实际应用中由于无源滤波器成本低，相对于有源滤波器更加稳定、可靠。无源滤波器既可以抑制谐波，也可以进行无功补偿。因此，无源滤波器在治理谐波方面仍起着重要作用。在整个系统中包含大量的非线性高速元件，可能引起并网电流和电压波形的畸变；由于采用正弦波脉宽调制（SPWM）方式进行控制，功率开关器件的开关频率很高，在运行过程中将会产生大量的高次谐波输入电网中，这样就使得电网电流中含有大量高次谐波，降低电网电流的质量，为了滤除入网电流中的高次谐波，并且获得较低的THD，就必须在电网和逆变电路之间接上谐波滤波器。此外，滤波器参数的选取影响电流环的动、静态响应，以及影响着并网系统输出功率、直流电压和系统功耗等。5.2.1并网滤波器分类和比较通常并网无源滤波器分为：单电感L滤波器、LC和LCL(T型)滤波器三种，如图5.4所示。图5.4L、LC、LCL型滤波器单电感L滤波器结构比较简单，控制特性比较好，但是其高频谐波衰减效果不佳，想达到设计要求的滤波效果，需要很大的电感值，这样电感体积过大，成本过高，消耗的无功功率比较多，使得整个系统的稳定性、快速性变差；LC型滤波器，虽然结构和参数选取比较简单，但是不能很好的抑制输出电流的高频谐波，由于电网的阻抗不能确定进而容易影响滤波效果；LCL型滤波器兼顾通带和阻带的特性，选择较小的电感电容值就能够对高频谐波电流起到很大的衰减作用，有助于逆变器在开关频率较低的情况下得到较高质量的并网电流[51,52]。通过以上分析，本系统交流侧采用LCL型滤波器。5.2.2SPWM逆变电路输出谐波分析利用傅里叶分析单极性控制技术SPWM，全桥逆变器输出电压为[53]：（5.16）式中：（5.17）其波形如图5.5所示。图5.5单极性SPWM波形根据图5.5中的输出波形可求得：（5.18）其中，第n次谐波的有效值为：（5.19）图中：为载波频率，为调制频率，，为载波幅值，为调制波幅值。经过上述的分析和计算表明[54]：单极性SPWM调制时输出电压波形中的最低次谐波的次数为(N-3)或(2P-1)。其中P为每半个正弦波内的脉冲电压数[55]。5.2.3LCL型滤波器的设计光伏并网系统交流侧滤波器的主要作用为：(1)将并网系统交流侧的PWM谐波电流滤除，从而保证并网电流的功率因数接近1；(2)将电网电压和逆变器输出的电压分隔开来，控制并网型逆变器输出的电压幅值和相位，进而实现控制并网电流幅值和相位；(3)同时滤波电感对电流有阻尼作用，这样有利于控制系统的稳定性的提高；(4)在保证良好的并网电流波形的同时，还可以根据电网的需要提供给电网无功补偿[56]。在进行LCL滤波器设计时，要对滤波器体积大小、电感参数及磁芯、输出电流纹波大小、谐振频率和动态特性进行考虑，折中后再进行选择。LCL型滤波器的电路图如图5.6所示。图5.6LCL型滤波器对于50Hz的低频电流，LCL滤波器呈现出低阻抗特性，基本不起产生衰减作用；对于高次谐波电流起到极大的衰减作用。对LCL型滤波器进行拉普拉斯变换分析。（5.20）由电路KCL定律：（5.21）由电路KVL定律：（5.22）所以有：（5.23）假设时，则式（5.23）可以写成：（5.24）当时，式（5.24）可化为：（5.25）由上式可以得出：对于基本电流分量来说，由于，则有，相当于只有一个电感L滤波器，没有滤波电容；对于高频电流分量来说，由于，则有，相当于一个三阶低通滤波器，能够有效的抑制开关频率附近的谐波。3、LCL滤波器参数的确定如图5.6中，为电网电压，为逆变器前侧直流电压，，为滤波器电感，C为滤波电容，为的等效电阻，为的等效电阻。由于两个等效电阻很小，在计算中忽略不计。电感参数的大小与纹波电流、系统功耗有关，当电感值L越大，则纹波电流及其与之相关的损耗就会越小，但电感越大，其体积越大，电感本身的损耗也会越大。所以，选取电感时要考虑各方面因素，采用折中的办法选择。一般情况下，输出电流纹波的大小决定了电感L最小值的选择，电感L上的纹波电流选择为额定电流的15%~25%，本课题选用20%，即：，其中为入网电流。本系统的调制方法为单极性，那么设定功率开关管在一个开关周期内导通的时间为，逆变器前端直流电压为，电容两端电压为，电感两端电压为，则有：（5.26）其中：（5.27）将式（5.27）带入时（5.26）中有：（5.28）对求导有：（5.29）对于入网电流要求其与电网电压同频同相，因而，式(5.29)的值为0，则可得到：当时，有最大值，即：（5.30）又由于，则有：（5.31）从而得到电感最小值的公式：（5.32）经过分析可以知道：对于基波电流，LCL滤波器的滤波电容相当于开路，这样相当于总电感起作用，其上的电压压降为，则有，其中，=50Hz为电网频率。根据三者的矢量关系有：（5.33）因为存在入网电流与电网电压相位不一致的情况，则需要考虑两者间相角的影响，则根据余弦定理可以得到关系式：（5.34）其中：电感电压和电网电压之间的夹角为。将带入式（5.33）有：（5.35）若，电感的取值范围为：（5.36）代入数值，，，可得：即：滤波器电容与无功功率、谐振频率相关联，这样电感和电容在取值时要进行折中。如果滤波电容值取得比较大，那么无功功率越大、流过电感和功率器件的电流也越大，整体的效率就会降低；如果滤波电容值取得比较小，那么在同样的滤波效果下，所需的电感值就比较大，进而导致电感体积比较大。通常，以总功率的15%作为无功功率进行计算，则有电容值取值范围：（5.37）其中：P=6kW为整个系统的额定功率，f=50Hz为电网频率，为电网电压。代入本设计数值得：、和C之间关系比较复杂，那么虽然知道了总的电感量的取值范围，但是与各自取值的确定也很复杂，它们的取值直接影响了两个滤波电感上的压降、滤波电容上的无功电流、以及电流纹波的大小。一般来说，在相同的滤波效果情况下，增大滤波电容的值可以相应的减小滤波电感的取值，从而减少滤波器的体积，同时滤波电容越大，的比值对整个系统滤波效果的影响就越明显。有关的文献已经证明[56]：电感决定输出的电流纹波、电感和电容C对高频电流起到分流作用，电容给高频分量提供了低阻通路，要保证分流的效果就必须使得，一般情况下可取。5.3EMI滤波器由于功率开关管在功能、效率、体积重量等方面具有无可比拟的优势，因此在许多行业领域均获得了广泛的应用，但是功率开关管的开关工作方式所引起的电磁干扰问题却成了一个显著的缺陷，所以解决电磁干扰（ElectromagneticInterference，EMI）问题成为提高整个系统性能的关键。光伏并网的广泛应用前景使其电磁兼容成为国内外研究的热点。5.3.1电磁兼容根据国际电工委员会（InternationalElectrotechnicalCommission，IEC）的定义，电磁兼容(Electromagneticcompatibility，EMC)是指电气和电子设备在共同的电磁环境中能执行各自的功能的共存状态，它们不会因为内部或彼此间存在的电磁干扰而影响其正常工作[57]。电磁兼容性包含三个方面的含义[58]：(1)电磁干扰（ElectromagneticInterference，EMI），处在一定环境中的设备或系统，在正常运行时，不应产生超过相应标准所要求的电磁能量，相对应的测试项目根据产品类型及标准不同而不同；(2)电磁敏感性(ElectromagneticSusceptibility，EMS)，处在一定环境中设备或系统，在正常运行时，设备或系统能承受相应标准规定范围内的电磁能量干扰，相对应的测试项目也根据产品类型及标准不同而不同；(3)电磁环境，即系统或设备的工作环境。电磁干扰包括电磁敏感度和电磁发射两方面内容，电磁敏感度是指电子设备抵抗电磁干扰的能力，而电磁发射是指电子产品产生的对外电磁干扰。电磁干扰必须有三个因素同时存在才能形成：电磁干扰源、对干扰敏感的接收装置和噪声的耦合途径，所以抑制电磁干扰也应该从以上三个方面入手。电磁兼容性可从电磁发射和电磁敏感性两方面来分析，其中电磁发射分为传导发射和辐射发射，电磁敏感度分为传导敏感度和辐射敏感度。EMC的设计就是抑制干扰源的电磁干扰发射，提高敏感设备的电磁干扰敏感度，以及切断干扰途径的过程。5.3.2电磁干扰根据现今阶段的研究，在电力电子设备的工作频率范围中，电磁干扰以传导干扰为主，且以差模干扰（DifferentialMode，DM）和共模干扰（CommonMode，CM）的形式表现出来。差模干扰是串联于信号回路中的干扰，与频率有关；共模干扰是干扰电压同时加到两条信号线上出现的干扰，共模干扰要变成差模干扰才能对电路起作用。由于功率开关管的快速开关引起的高du/dt和di/dt，大功率开关管运行时会产生大量的差模和共模干扰信号，使得逆变器前后都含有大量的高次谐波，严重污染了电网，影响了电网电能的质量。因此根据电磁干扰的特性，通常使用接地、屏蔽、滤波这三种方法对电磁干扰信号进行抑制。EMI滤波器在抑制传导干扰方面是极为有效的手段，因此，在功率开关管中使用EMI滤波器来提高设备抗干扰的能力。共模干扰是相线对大地或者中线对大地之间的电位差，共模电流是相线或者中线与地线之间流动的、相位相同的电流，如图5.7所示。图5.7共模干扰流向图差模干扰是相线与中线之间的电位差，差模电流是存在于相线与中线之间且相位相反的电流。如图5.8所示。图5.8差模干扰流向图由于共模干扰和差模干扰形成的原因不同，在电磁干扰信号中的频谱范围也不一样，根据相关文献中的叙述可以得到，在低于0.1MHz以差模干扰为主，在0.1MHz~1MHz差模干扰与共模干扰共存，在1MHz~30MHz以共模干扰为主，在30MHz以上以共模干扰为主。这样就可以根据不同频段特点进行抑制。5.3.3参数设定EMI滤波器的主要性能指标一般包括插入损耗、漏电流、额定电压和额定电流、阻抗匹配频率特性、器件尺寸和重量、可靠性和使用环境等，在多数情况下，插入损耗、漏电流、额定电压和额定电流为主要参数。（1）插入损耗插入损耗是EMI滤波器的重要参数，是频率的函数。它的定义为没有滤波器接入时，从噪声源传输到负载的功率和接入滤波器后，噪声源传输到负载的功率之比，单位为dB（分贝）。图5.9插入滤波器前、后图形根据定义，图5.9(a)和(b)的插入损耗为：（5.38）由于，，则：（5.39）由图5.9(a)中所示，可以得到：（5.40）由图5.9(b)中所示，利用二端口原理，可以得到：其中：联立以上两式可得：（5.41）进而可以得到插入损耗的计算公式：（5.42）通过上式可以知道，插入损耗与滤波器的源阻抗和负载阻抗有关。插入损耗越大，滤波器的性能越好，滤除干扰的能力越强。EMI滤波器属于反射式滤波器，它需要尽可能的把高频干扰信号反射回噪声源。(2)漏电流漏电流是在额定电压工作的情况下，EMI滤波器相线与地线、中线与地线之间流过的电流，出于安全的考虑，对于漏电流都有严格的规定。如表5.1所示，列举了几个国家的安全漏电流的标准。表5.1安全漏电流标准根据安规要求，要求的漏电流越小越好，这样得到的安全性就越高，计算公式如下式所示：（5.43）上式中，为漏电流，为电网频率50Hz，为EMI滤波器共模电容，为共模电容上的电压，即为输出端对地之间的电压110V。(3)额定电压和额定电流额定电压是滤波器允许的最大输入电压值，主要是保证EMI滤波器在该电压下，能够安全、稳定的持续工作。滤波器的额定电压一般为输出最大峰值电压的两倍。额定电流是在规定的环境稳定和额定电压条件下，EMI滤波器能够稳定、持续的工作电流。一般情况下，环境稳定越高允许的工作电流就越小，并且工作电流还与频率的大小有关，工作频率越高，允许的工作电流就越小。因此，为保证EMI滤波器能够以最优工作，一般取实际最大工作电流值的1.5倍左右作为EMI滤波器的额定电流。5.3.4EMI滤波器设计现今，EMI滤波器分为无源滤波器和有源滤波器，其中无源滤波器具有成本低、容量大、效率高、运行稳定、技术相对成熟、结构简单及维护方便等优点，所以本文采用无源EMI滤波器。无源EMI滤波器结构有单级和多级，多级是多个单级进行级联而成，那么先分析一下单级结构，对于EMI信号来说，电感呈高阻抗，电容呈低阻抗，所以在进行EMI滤波器电路结构的设计时应遵循下列原则：若源内阻和负载是阻性或感性的，与之端接的EMI滤波器接口就应该是容性的；若源内阻和负载是容性的，与之端接的滤波器接口就应该是感性的。传统的EMI滤波器由共模电容、差模电容、共模电感和差模电感等分立元件构成，但是由于分立元件数量多、体积大，引线长造成的分布电感和分布电容对整个滤波器的滤波效果产生很大的影响，所以选择使用共模差模合成扼流圈，这种扼流圈是在共模磁芯里面加了一个差模磁芯。为了使得共模电感和差模电感的相互影响最小，易于解耦分析共差模电路，合成扼流圈的上下两个绕组应该相互对称，这样，差模电感对于共模电流没有影响，共模电感对于差模电流也没有影响，共差模相互独立。传统的EMI测试方法有两种：阻抗稳定网络法（LISN）和电流探头法。其中，阻抗稳定网络法必须在屏蔽室内进行，利用LISN测量出被测设备沿着电源线向电网发射的干扰电压，测量的频率范围是10kHz~30MHz，其主要作用是为了隔离待测试的设备和输入电源或者电网，滤除由输入电源线或者电网线引入的噪声干扰，并且在50电阻上提取噪声的相应信号值送到接收机进行分析[59]。现今最常用的单级EMI滤波器结构如下图所示。其中，为差模电容，为共模电容，为共模电感，为差模电感。图5.10EMI滤波器基本结构根据抑制干扰信号的不同，可以将上图中的EMI滤波器电路分成共模等效电路和差模等效电路。如图5.11和图