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0121111350421畢業設計題目家用光伏逆變器的CQC及CE認證學院自動化專業電氣工程及其自動化班級電氣1104班姓名雷李軍指導教師黃亮2015年月日學位論文原創性聲明本人鄭重聲明：所呈交的論文是本人在導師的指導下獨立進行研究所取得的研究成果。除了文中特別加以標注引用的內容外，本論文不包括任何其他個人或集體已經發表或撰寫的成果作品。本人完全意識到本聲明的法律后果由本人承擔。作者簽名：年月日學位論文版權使用授權書本學位論文作者完全了解學校有關保障、使用學位論文的規定，同意學校保留并向有關學位論文管理部門或機構送交論文的復印件和電子版，允許論文被查閱和借閱。本人授權省級優秀學士論文評選機構將本學位論文的全部或部分內容編入有關數據進行檢索，可以采用影印、縮印或掃描等復制手段保存和匯編本學位論文。本學位論文屬于1、保密囗，在年解密后適用本授權書2、不保密囗。（請在以上相應方框內打“√”）作者簽名：年月日導師簽名：年月日摘要隨著社會的進步和科技的發展，當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，用之不竭的優點，在今后的日常生活中必將占據至關重要的地位。但是太陽能過于分散，為了更有效地利用太陽能，家用太陽能光伏發電系統必將得到廣泛使用，而逆變器作為太陽能光伏發電系統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，對家用太陽能光伏發電系統都有較為深刻的認識，并且對光伏系列產品均有較為完善的認證體系。中國以CQC認證為主，而歐盟則以CE認證為主，兩者作為世界上最主要的認證體系，對家用光伏逆變器的發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認證顯得至關重要。本文研究了國內外逆變器的研究現狀以及CQC及CE認證的要求，并著重研究了CQC及CE認證對光伏并網逆變器的EMC要求以及兩者的不同之處，同時也研究了光伏逆變器的孤島效應產生、危害，以及孤島檢測的原理、盲區及方法。最后著重對雙向轉換電源進行了EMC設計，主要是濾波設計使其符合CQC及CE認證的要求，其中包括了直流側濾波器、交流側濾波器以及EMI濾波器，并對它們的基本原理、種類等進行了說明。關鍵詞：光伏逆變器；CQC認證;CE認證；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6kw功率48VDC/220VAC雙向轉換電源進行CQC及CE認證研究，并且分別查找到了CQC認證及CE認證的標準文件，并對現有的48VDC/220VAC雙向轉換電源進行EMC設計，主要是濾波設計，使產品基本符合CQC及CE標準認證要求。第二章光伏逆變器的CQC及CE認證2.1認證的重要性中國光伏產業發展很迅速，已成為繼歐洲和日本之后的世界第三大光伏產品生產國。中國政府對光伏發電的發展也非常重視，近幾年，國家發改委實施了“光明工程”、“送電到鄉”等工程項目，各級地方政府也陸續啟動了光伏照明項目用以支持我國光伏產品的推廣。與此同時，偏遠地區的消費者也逐步認可了光伏產品，越來越多的居民開始使用家用太陽能電源等產品。可以說，在各方的努力和支持下，中國的光伏應用市場發展的極為迅速。但是，在光伏產業快速發展的背后，劣質光伏產品的肆意橫行成為行業發展的重大隱患。隨處可見許多不具備條件的光伏企業借此機會，在消費者尚不具備辨別產品優劣的情況下，依靠虛假宣傳、低廉的價格，用劣質的光伏組件與正規的生產企業競爭，嚴重破壞了市場秩序，損害了消費者的利益，光伏行業的形象也因此遭受了嚴重的打擊，長此以往，必將影響整個行業的健康發展。與國內形成鮮明對比的是，國外的光伏認證體系現已經發展成熟，認證結果被廣泛的采納，我國的光伏企業生產的產品銷售到國外首先需要獲得相應的認證資質，否則產品將很難被客戶接受。這樣，不僅加重了我國企業的經濟負擔，而且還可能因為認證的周期過長的原因，使企業錯失商機，嚴重影響未來發展。因此，建立一套適合我國國情的、科學合理的光伏產品認證體系，同時適時采用國外相對成熟的認證體系，對規范市場和保證太陽能光伏產業健康有序的發展，打破國際技術性貿易壁壘，將起到至關重要的作用[20]。2.2光伏逆變器的CQC認證2.2.1認證模式光伏并網逆變器的認證模式為：產品型式試驗+初次工廠檢查+獲證后監督[21]。認證的基本環節包括：a.認證的申請b.產品型式試驗c.初始工廠檢查d.認證結果評價和批準e.獲證后的監督2.2.2對逆變器電性能的要求CNCA/CTS0004－2009A《并網光伏發電專用逆變器認證技術條件》對逆變器的電性能規定如下[22-26]:1)轉換效率。無變壓器型逆變器最大轉換效率應不低于96%，含變壓器型逆變器最大轉換效率應不低于94%。2)并網電流諧波。輸出電壓波形畸變率及各次諧波滿足國標GB/T14549－1993《電能質量－公用電網諧波》的要求;逆變器額定功率運行時，注入電網的電流諧波總畸變率限值為5%。3)功率因數。當逆變器輸出有功功率大于其額定功率的50%時，功率因數不小于0.98(超前或滯后);輸出有功功率在20%～50%時，功率因數不小于0.95(超前或滯后)。4)電網電壓響應。逆變器對異常電壓的反應時間應滿足表2.1的要求，在電網電壓恢復到允許的電壓范圍時逆變器應能正常啟動運行。表2.1逆變器對異常電壓的反應電壓U(交流電壓輸出端)允許最大跳閘時間/sU＜0.5×U正常0.10.5×U正常＜U＜0.85×U正常2.0U=0.85×U正常繼續運行V(U=1.1×U正常)繼續運行1.1×U正常＜U＜1.35×U正常2.01.35×U正常＜U0.055)電網頻率響應。電網頻率在額定頻率變化時，逆變器的工作狀態應滿足表2.2的要求表2.2電網頻率響應頻率/Hz逆變器響應＜48逆變器0.2s停止運行48～49.5逆變器運行10miin后停止運行49.5～50.2逆變器正常運行50.2～50.5逆變器運行2min后停止運行，此時處于停運狀態的逆變器不得并網＞50.5逆變器運行0.2s內停止運行，此時處于停運狀態的逆變器不得并網6)電壓不平衡度。輸出電壓三相不平衡度滿足國標GB/T15543－2008《電能質量－三相電壓允許不平衡度》的要求。7)直流分量。并網運行時，光伏逆變器向電網饋送的直流電流不應大于逆變器輸出電流額定值的0.5%。8)防孤島效應。逆變器應具有孤島防護功能，并在電網失壓時能在規定的時間內與電網斷開。2.2.3設備要求進行光伏并網逆變器認證時，需要有一定的設備條件。為滿足標準規定的測試項目要求，測試機構需具備專業的儀器設備，如電能質量分析儀、模擬交流電網、防孤島效應檢測設備、低電壓穿越檢測設備、接觸電流測試儀、絕緣電阻測試儀、直流穩壓電源、高低溫交變濕熱試驗箱、溫升測試設備等。根據相關標準要求，逆變器的制造單位最好也具備以上測試儀器，以便能隨時了解樣機的性能指標。檢測機構也可以利用逆變器制造單位的測試儀器對樣機進行現場測試或目擊測試等[27]。2.3光伏逆變器的CE認證為了爭取順利進入德國和意大利等歐盟主要光伏市場，國內光伏產品制造商必須通過歐盟的CE認證。光伏產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OJEU協調標準進行測試以證明其符合相關指令要求，并取得CE認證[28]。2.3.1低電壓指令低電壓電氣指令2006/95/EC覆蓋了所有標稱供電交流電壓為50～1000V和所有標稱直流電壓為75～1500V的電氣產品，其目標是確保電氣設備綜合安全、設計和結構安全以及信息安全。協調標準是由歐洲標準化組織所制定并在歐盟官方公告上公布的歐洲標準，是歐洲標準中具有法律效力的技術規范，但又保持著自愿采用的地位。光伏產品LVD指令的協調標準參見表2.3。表2.3低電壓指令下光伏產品的協調標注標準號標題EN60269-6：2011低壓熔斷器．光伏型太陽能源系統保護用熔斷連桿的補充要求EN61730-1：2007光電(PV)模件安全合格鑒定第一部分：結構要求EN61730-2：2007光電(PV)模塊安全鑒定一第2部分：試驗要求EN62109-1：2010光伏電力系統用電源轉換器的安全性．第l部分：一般要求EN62109-2：2011光伏電力系統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。鑒于目前歐盟對于光伏產品并沒有頒布相應的電磁兼容專有標準，而只能采用通用標準。目前，OJEU中提到的應用于PV逆變器的通用標準如表3.4所示。輕工業通標偏重于產品對外界的輻射限定，在電磁波發射方面限500kw、250kW產品一般使用環境為重工業環境，應采用重工業通標；20kw、5kw等小功率產品一般使用環境為商業或者輕工業環境，則應當采用輕工業通標。表3.4電磁兼容指令下光伏產品的協調標注標準號標題EN61000-6-1：2007電磁兼容性（EMC)-第6-1部分：通用標準.住宅，商業和輕工業環境的抗擾度EN61000-6-2：2007電磁兼容性（EMC)-第6-2部分：通用標準.準居住．商業和輕工業環境用發射標準EN61000-6-3：2007電磁兼容性（EMC)-第6-3部分：通用標準.準工業環境的抗擾度EN61000-6-4：2007電磁兼容性（EMC)-第6-4部分：通用標準.工業環境的發射標準2.3.3認證模式CE認證的合格評定可細分為8種基本模式,即生產內部控制、EEC型式檢驗、符合型式要求、生產質量保證、產品質量保證、產品驗證、單件驗證及正式質量保證。這些不同的模式結合在一起可形成一個完整的程序。每個新方法指令中都規定了適用的合格評定程序的范圍和內容。通常情況下,合格評定程序在設計和生產階段發揮作用,有的模式只涉及生產階段,有的模式涉及到設計階段和生產階段,其目的就是要求制造商采取一切必要的措施保證其產品合格。產品符合協調標準或經過適當的合格評定程序,即可加貼“CE”標志[29]。(一)工廠自我控制和認證。ModuleA(內部生產控制):1.用于簡單的、大批量的、無危害產品,僅適用應用歐洲標準生產的廠家。2.工廠自我進行合格評審,自我聲明。3.技術文件提交國家機構保存10年,在此基礎上,可用評審和檢查來確定產品是否符合指令,生產者甚至要提供產品的設計、生產和組裝過程供檢查。4.不需要聲明其生產過程能始終保證產品符合要求。ModuleA:1.廠家未按歐洲標準生產。2.測試機構對產品的特殊零部件作隨機測試。(二)由測試機構進行評審。ModuleB(EC型式評審):工廠送樣品和技術文件到它選擇的測試機構供評審,測試機構出具證書。注:僅有B不足于構成CE的使用。ModuleC(與型式[樣品]一致)+B:工廠作一致性聲明(與通過認證的型式一致),聲明保存10年。ModuleD(生產過程質量控制)+B:本模式關注生產過程和最終產品控制,工廠按照測試機構批準的方法(質量體系,EN29003)進行生產,在此基礎上聲明其產品與認證型式一致(一致性聲明)。ModuleE(產品質量控制)+B:本模式僅關注最終產品控制(EN29003),其余同ModuleD。ModuleF(產品測試)+B:工廠保證其生產過程能確保產品滿足要求后,作一致性聲明。認可的測試機構通過全檢或抽樣檢查來驗證其產品的符合性。測試機構頒發證書。ModuleG(逐個測試):工廠聲明符合指令要求,并向測試機構提交產品技術參數,測試機構逐個檢查產品后頒發證書ModuleH(綜合質量控制):本模式關注設計、生產過程和最終產品控制(EN29001)。其余同ModuleD+ModuleE。其中,模式F+B,模式G適用于危險度特別高的產品。2.3.4CE認證流程制造廠商透過在產品貼上CE標志的方式,標明此項產品完全符合歐盟指令的相關規定。如果規定允許,CE標志也可標示在包裝或隨附文件上。CE標志幷非測試標志,只是標明此制造廠商宣示其產品符合所有相關的法規，CE認證流程如圖2.1所示。圖2.1CE認證流程圖第三章CQC及CE認證對光伏并網逆變器的EMC要求目前，光伏并網逆變器的設備認證實施規則已經制定完成，有關的檢測機構已經具備了相應的測試能力，認證工作已經全面開始。并網光伏逆變器設備認證得到我國和部分國家光伏行業認同。而歐盟對并網光伏逆變器設備認證中的EMC要求目前還沒有單獨的規范，因此現在出口到歐盟的光伏并網逆變器設備依據的檢測標準都是通用標準。3.1CE認證對光伏并網逆變器的EMC要求（1）測試標準歐盟根據使用環境的不同，采取了不同的標準，主要分為“居住、商業及輕工業”和“工業”兩種應用環境，相應測試標準見表3.1所示。表3.1并網光伏逆變器CE認證EMC測試標準（2）測試項目及要求用于居住、商業及輕工業環境中的逆變器發射類測試要求見表3.2；用于工業環境中的逆變器發射類測試要求見表3.3；用于工業環境中的逆變器抗擾度要求見表3.4；用于居住、商業及輕工業環境中的逆變器抗擾度要求見表3.5。表3.2用于居住、商業及輕工業環境中的逆變器發射類測試要求表3.3用于工業環境中的逆變器發射類測試要求 表3.4用于工業環境中的逆變器抗擾度要求表3.5用于居住、商業及輕工業環境中的逆變器抗擾度要求續表3.5用于居住、商業及輕工業環境中的逆變器抗擾度要求（3）抗擾度判據說明A:干擾施加過程中及干擾施加結束之后，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性能或功能暫時降低，但干擾施加結束之后應能自行恢復正常而不需要人為干預。C:干擾施加過程中允許逆變器出現性能或功能暫時降低，但干擾施加結束之后不能自行恢復，需要操作人員干預才能恢復。（4）測試差異從表3.2與表3.3可以看出，在不同的應用環境下，CE認證對并網光伏逆變設備的電磁發射要求存在明顯差異，主要體現在以下三個方面：i.相同測試項目的限值有較大差異，例如：輻射發射和傳導發射項目測試，用于工業環境中的要求較低，而用于商業環境中的要求就比較高，這個差異主要是從無線接收機的使用數量及保護無線接收機的角度來考慮的；ii.用于居住、商業及輕工業環境中的逆變器對DC電源端口傳導發射測試項目有明確的要求，而用于工業環境則對這個項目的測試不作要求。因為居住、商業及輕工業環境中的一些直流設備會通過直流源集中供電，那么設備自身產生的干擾就會通過直流端口沿著電源線影響到其它直流設備的正常工作；iii.用于居住、商業及輕工業環境中的逆變器需要進行諧波及閃爍項目測試，而用于工業環境則對這兩個項目測試不作要求。由于居住、商業及輕工業環境中交流用電設備都是連接到公用電網上，電網上的諧波分量大小會直接影響接入電網的交流用電設備能否正常工作，因此對接入公用電網的交流用電設備提出明確的電流諧波及電壓波動與閃爍要求。此外，根據表3.4和表3.5可以得出，由于工業環境相對更惡劣一些，因此應用于此環境中的設備要求抗干擾能力更強一些。用于居住、商業及輕工業環境中的逆變器信號端口無浪涌測試需求，而用于工業環境中的逆變器信號端口則有浪涌測試需求。3.2CQC認證對光伏并網逆變器的EMC要求（1）測試標準CNCA/CTS0004-2009A《并網光伏發電專用逆變器技術條件》。（2）測試項目及要求CQC認證對電磁發射測試的應用環境分類與CE認證相同，只是對應環境下的限值要求有所差異。CQC認證對用于居住、商業及輕工業環境中的逆變器發射類測試要求見表3.6，用于工業環境中的逆變器發射類測試要求見表3.7。抗擾度要求見表3.8。表3.6用于居住、商業及輕工業環境中的逆變器發射類測試要求表3.7用于工業環境中的逆變器發射類測試要求表3.8抗擾度要求3.3CE認證與CQC認證EMC要求的差異CE認證和CQC認證在并網光伏逆變器EMC要求上產生差異的一個非常重要的原因就是CQC認證中采用的是專用標準，而歐盟CE認證則采用通用標準。由于CE認證的協調標準體系并未納入專門針對并網光伏逆變器設備的標準，因此，與CQC認證相比，其EMC要求的針對性相對較弱。兩者對EMC要求的主要差別如下[30]：1）CQC認證未對交流電源端口和直流電源端口測試單獨進行區分，而CE認證區分交流電源端口和直流電源端口；2）CQC認證對諧波及閃爍發射測試項目不作要求，而CE認證對此則有明確要求；3）CQC認證對電壓跌落及中斷抗擾度測試項目有明確要求，而CE認證對此則不作要求；由于逆變器設備是直流輸入、交流輸出，即輸出端一般要連接到公用電網上，這一點與傳統的交流供電設備是不同的，可能是基于這一點考慮，CQC認證未對電壓跌落及中斷抗擾度測試項目測試提出要求，而CE認證采用的是通用標準，因此對此項目有測試要求；4）CQC認證對信號端口的傳導發射測試項目不作要求，而CE認證中對此則有明確要求；5）CQC認證對用于工業環境的逆變器浪涌抗擾度測試項目不作要求，而CE認證對此則有明確要求；6）CQC認證中對電壓波動抗擾度測試項目有明確要求，而CE認證對此則不作要求；7）CQC認證中對阻尼震蕩波抗擾度測試項目有明確要求，而CE認證對此則不作要求。第四章光伏逆變器的孤島效應所謂孤島效應，是指電網因故障而意外突然斷開后，逆變器未能在規定時間內正確檢測出電網當前狀態而仍持續工作，以致電網輸電線路的某一部分可能仍處于帶電狀態，這樣并網逆變器與負載形成一個獨立的自給供電系統[31]。隨著并網逆變器在發電系統中的廣泛采用，孤島效應的發生幾率也不斷增加，而其造成的危險已不容忽視。因此，能及時準確檢測出孤島效應顯得非常重要。4.1孤島效應的產生及其危害如圖4.1所示，光伏并網發電系統主要由PV太陽能板、并網逆變器以及負載組成。當電網跳脫，開關仍處于閉合狀態時，逆變器若持續工作，則系統處于孤島狀態。圖4.1光伏發電系統簡圖孤島效應的產生可能是由以下幾種情況造成的[32]：(1)市電電網由于故障停止供電，并網逆變器卻仍通過斷路器向電網傳輸電能，導致逆變器的輸出容量遠小于供電電網系統的容量，且這種狀態可能持續很長時間；(2)開關意外斷開，逆變器卻未能成功檢測，導致逆變器同周圍負載一起形成一個自給供電的系統，即孤島。孤島一旦發生，可能對整個配電系統設備及各用戶端設備造成不同程度的損壞，甚至存在一系列的安全事故，并且可能會帶來事故糾紛[31]：1)設備損壞(a)電網供電中斷后突然恢復供電時，由于孤島運行的局部電網相位（頻率）與主電網失步，導致在與主電網再次連接時將產生很大的浪涌電流，相關設備將受到嚴重的損壞。(b)孤島一旦發生，電網將失去對電壓和頻率的控制，這可能造成用戶用電設備的損壞，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。電網因某種故障停止工作時，若此時逆變器仍持續不斷地工作，則輸電線路某一部分可能仍處于帶電狀態，這可能會威脅到電網工作人員的生命安全。因此，光伏并網發電系統中，反孤島方案顯得十分重要，各國也對防治孤島效應制定了相應的標準。美國電氣及電子工程協會IEEE（InstituteofElectricalandElectronicsEngineers）針對與電網接口的“無孤島逆變器”制定了相關的標準。其中，光伏系統并網標準IEEEStd.929—2000中規定：(1)逆變器輸出有功功率與負載（品質因數小于等于2.5）需求匹配度小于0.5，并且負載的功率因數在0.95以上，則逆變器檢測孤島是否發生的時間應小于2s，否則將對電網停止供電。(2)逆變器輸出有功功率與負載需求匹配度大于0.5，或者負載的功率因數在0.95以下，則在10個周波內，逆變器必須切斷輸出。4.2孤島檢測原理光伏并網發電系統如圖4.2所示，主要由光伏并網逆變器、負載、并網斷路開關和電網四部分組成[33]。其中，本地負載用并聯RLC電路等效替代。圖4.2光伏并網發電系統等效示意圖逆變器輸出的有功功率為、無功功率為；電網向負載提供的有功功率為、無功功率為；負載所需消耗的有功功率為、無功功率分別為。同時作如下假設：(1)并網逆變器按單位功率因數輸出，即電網頻率與RLC負載的諧振頻率相等；(2)RLC負載的品質因數：負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載參數為R、L、C，不匹配的負載為R+△R、L+△L、C+△C。當并網斷路器閉合，光伏系統并網正常工作時，（4.1）（4.2）（4.3）（4.4）一旦電網由于出現故障或掉電而停止工作時，此時，RLC負載新的諧振頻率為：（4.5）由公式（4.4）、（4.5）可得：（4.6）光伏并網逆變器出現過頻（OFR）和欠頻（UFR）時的頻率值分別為、，即為繼電器在相應時刻的動作值。如果負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，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，能得到電壓和有功功率的關系式，過程如下：當電網正常工作時，逆變器輸出功率為;孤島發生時，負載功率為，假設逆變器的輸出功率不變，則：（4.14）可簡化為：（4.15）正常工作時，電網提供給負載的功率為：（4.16）則負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、欠壓時的電壓值分別為、，即此時繼電器的動作值。如果電網由于某種原因停止工作時，負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，則繼電器不動作。（4.19）由以上可知，電壓變化同有功功率匹配度有關，而頻率變化與無功功率的匹配度有關。當逆變器輸出功率與RLC負載功率需求相差很大時，以致RLC負載的端電壓、頻率值超出相應的繼電器的正常工作范圍，則繼電器將動作，致使光伏并網逆變器與電網斷開，停止工作。反之，若逆變器輸出功率與RLC負載功率需求相差較小時，并滿足不等式(4.13)和(4.19)，即RLC負載電壓、頻率的變化在繼電器的正常工作范圍內，則繼電器將失效，逆變器仍持續工作，孤島檢測失敗，系統進入孤島檢測盲區NDZ（Non-detectionZone）4.3孤島檢測盲區檢測區盲區（Non-detectionZone，簡稱NDZ）是指存在某一區域，在此區域中某種孤島檢測方法不能檢測出孤島效應的發生。因此，檢測盲區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越小，則此方法的可取性越高。由4.2節分析可知，電網斷電前后光伏并網逆變器輸出功率的變化決定了電網停止工作后逆變器輸出電壓和頻率的變化。若負載條件或控制方式不同，則在相同的工作范圍內，所需要的逆變器輸出功率和負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不相同。圖4.3防止孤島效應非檢測區圖示檢測盲區通常用如圖4.3所示的功率失配區間△P、△Q包圍的區域來表示。圖中的△P、△Q分別為市電電網向RLC負載提供的有功功率和無功功率，陰影部分為孤島檢測盲區，OF、UF、OV、UV分別表示過頻、欠頻、過壓和欠壓區。在非檢測區域內，若所處位置非常接近△P=△Q=0，則此時耦合點a的電壓、頻率幾乎不發生變化，這增加了判斷系統是否處于孤島效應狀態的難度，容易導致檢測失敗。此外，由公式和可得：在不同負載的情況下，比如負載參數R、L、C取值不同，則相同的△P、△Q產生的電壓、頻率的變化量是不同的。如果是在電壓、頻率閾值范圍設定相同的情況下，系統判斷孤島是否存在，得到的檢測結果是不一樣的。因此，△P、△Q來描述盲區存在很大的弊端。一般情況下，孤島效應方法的檢測盲區應盡可能的小，但是現實中，電網的情況很復雜，若將檢測盲區設定的太小，則會引起孤島保護的“誤動”。4.4孤島效應檢測方法隨著光伏并網發電裝置在發電系統中的推廣和普及，孤島效應發生的機率也逐漸增加，已不可能忽視其帶來的安全隱患。當前，孤島檢測技術主要分為兩類：被動式和主動式。前者主要是通過監控電網的某些狀態參量的變化，譬如：電壓、頻率，來判斷系統是否處于“孤島效應”的狀態。后者主要是通過并網逆變器定時產生擾動信號，觀察電網某些參數是否受到影響，來判斷孤島效應的發生。4.4.1被動式孤島檢測與保護通過監控電網狀態參數來判斷孤島是否發生的方法為被動式孤島檢測法。但是，被動式檢測法存在較大的非檢測區域（Non-DetectionZone，簡稱NDZ）。對于并網逆變器的被動式孤島檢測方法來說，系統無需增加額外的硬件電路。根所選參數不同，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電路來實時監控光伏并網發電系統。異地開關由于某種原因而跳閘，并且光伏并網發電系統輸出功率與負載功率需求不匹配時，電網的相關參數將發生變化，此時可以通過系統軟、硬件規定的電網電壓的過/欠壓保護電路或過/欠頻保護電路設置值及時地檢測出孤島效應的發生，同時，繼電器動作，在規定的時間內斷開逆變器的輸出。光伏并網逆變器運行示意圖如圖2.2所示。其中，S為斷路開關。當斷路開關閉合時，光伏系統并網運行，此時光伏并網逆變器輸出功率為，RLC負載消耗的功率為，電網給RLC負載提供的功率為，則RLC負載的有功、無功功率的計算公式為：（4.20）（4.21）式中，Va為耦合點a處的電壓值。當電網工作正常時，耦合點處電壓Va的頻率、大小始終受電網控制，其值基本保持不變。但是，一旦電網發生故障或失壓時，由公式（4.20）可得出，電網斷開前，并網逆變器輸出的有功功率與負載所需求的不匹配，即因此，電網斷開后，Va的值必定將會變大或變小，直到有功功率達到新的平衡狀態。同理，若無功功率出現不平衡，則并網逆變器為了保持單位功率因數輸出，頻率將發生變化，直到達到新的平衡狀態。因此，通過監控耦合點處的電壓或頻率變化就能判斷系統所處狀態。但是，當負載所需的功率與并網逆變器輸出的功率的不匹配度很小時，即公共點a處的電壓、頻率變化很小，未超出繼電器的正常工作范圍，此時繼電器不動作，并網逆變器仍向電網輸送電能，孤島檢測失敗。過壓、欠壓和過頻、欠頻孤島檢測法簡單，易于實現，成本低，但是存在一定的弊端，對于非純阻性負載，檢測盲區較大，并且不可預測系統孤島檢測所需時間。(2)相位偏移檢測法[36]相位偏移法的基本思想是：監控逆變器輸出電流和端電壓間相位差的變化。系統正常工作時，為讓并網逆變器實現單位功率因數輸出，電流控制型逆變器檢測耦合點a處電壓的過零點，使逆變器的輸出電壓和電流同電網的同相，即并網逆變器的輸出電壓和電流相位差為零。孤島發生時，逆變器輸出電壓電流的相位差由負載決定，通過檢測電壓電流之間的相位差是否超出一定的范圍，就能判斷故障的發生，進而使逆變器切斷輸出。相位偏移檢測法的軟件硬件實現簡單。光伏并網逆變器自身需要通過鎖相環PLL來實現輸出電壓、電流同電網同頻同相，因此，要實現相位偏移孤島檢測只需增加一功能：光伏并網逆變器輸出電流與耦合點a處電壓之間的相位差一旦超過所設定的閾值范圍，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逆變器輸出電能的質量。相位偏移法也存在弊端，即難以確定相位誤差閾值，如果閾值設置的過低，將導致逆變器的誤動作。當負載為純阻性或接近純阻性時，光伏并網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的發生。除了以上三種常見的被動式孤島檢測方法外，還有電壓諧波檢測法[36-38]、檢測頻率變化的被動式孤島檢測法、基于人工智能和小波分析等的被動式孤島檢測法。4.4.2主動式孤島檢測與保護當逆變器輸出功率與負載所需求基本相近時，入網點電壓、頻率等電網的狀態參數變化很小，以致被動式孤島檢測法失效，因此，為了解決此類問題，人們提出主動式檢測法。主動式孤島檢測法的基本思想是：對系統的某些狀態參數施加一定的擾動，當系統處于正常狀態下時，在電網巨大的平衡作用下，擾動信號產生的作用很小，但是一旦電網停止工作，孤島發生時，擾動信號產生的作用凸現出來，并迅速累積超出允許的工作范圍，這樣就能判斷光伏發電系統是否處于孤島效應狀態。（1）輸出功率擾動法[39]輸出功率擾動法的基本思想是：對輸出電流施加擾動進而促使輸出電壓參數發生變化。電網正常工作時，并網逆變器輸出電流跟隨給定信號，此時，并網逆變器輸出電流等于；在輸出功率擾動算法的作用下，逆變器輸出電流正弦參考信號與擾動信號存在一定的誤差，即。當功率匹配時，若電網跳脫，則系統不能成功檢測出孤島。但是，若并網逆變器對其電流施加一定的擾動，則耦合點a處的電壓值取決于逆變器輸出電流和負載，即：（4.22）上式中，入網點a處電壓值Va是在原來的基礎上添加了一個電壓降，以致使電壓超出正常工作范圍，從而即使在并網逆變器輸出功率與負載功率相匹配的情況下也能檢測出孤島狀態。對于負載阻抗較大的并網逆變器來說，輸出功率擾動法檢測盲區很小，但是也存在缺點，對于與電網相連的多個并網逆變器來說，這種方法可能檢測失敗。相對于總輸出功率而言，若單個光伏逆變器起較小作用，則改變單個逆變器輸出功率，對整個系統來說，影響很小，以致系統總輸出功率變化非常小。但是，如果多個逆變器同市電電網相連，除非保持所有逆變器輸出功率擾動同步，否則系統無法識別孤島。但是，保持多臺同步，有一定難度同時增加成本，因此，輸出功率擾動法對于多個并網逆變器與電網相連的情況，檢測失效。(2)電壓正反饋法[40,41]入網點a的電壓的波動情況，也是判斷電網是否正常工作的一個重要標志。當并網逆變器輸出功率同負載消耗的功率相匹配時，電網停止工作，入網點a處前后的電壓變化很小，若僅憑電壓信號來判斷，將無法保證檢測結果的準確性和有效性。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信號，使耦合點a處電壓發生偏移，以致超出所設定的閾值，系統成功識別孤島效應。假設光伏發電系統的輸出電流為：（4.23）當時，；當時，。式中：最大功率跟蹤點電流；比例系數；耦合點a處的電壓峰值；電網電壓峰值；周期擾動量。市電電網跳脫時，針對耦合點a處的電壓峰值分別取不同的情況進行分析，其分析結果如下：圖4.4正反饋原理圖當時某時刻，電網停止工作，系統處于孤島狀態，由于，則下個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，入網點a處電壓不斷變大，若△U發揮作用，即值從0逐漸上升為，同樣，△U也具有正反饋作用，因此，耦合點a處的電壓在正反饋的雙重作用下發生明顯的變化，以致系統能識別孤島的發生。當時某時刻，電網跳脫，出現孤島，因為，那么下個周期電流的最大值會減小。如圖4.4(b)可知，在電壓正反饋的影響下，耦合點a處電壓不斷減小，若△U發揮作用，即值從0逐漸上升為，同樣，△U也具有正反饋作用，因此，耦合點a處的電壓在正反饋的雙重作用下發生明顯的變化，以致系統能識別孤島的發生。當時某時刻，電網跳脫，孤島發生，由于，此時通過電壓正反饋作用，也無法檢測到孤島效應的發生。但是，若△U每隔一個周期發揮作用，即，能降低逆變器輸出電流的大小，進而減小耦合點a處的電壓值，系統能成功的檢測出孤島的發生。(3)主動移頻式檢測法(AFD)[42]大部分逆變器以電流為輸出控制對象，通過采樣電網電壓來實現逆變器輸出電流與市電同頻同相。主動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，使逆變器輸出電流頻率與電網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，即圖4.5AFD孤島檢測方法控制原理圖當電網正常工作時，因為電網阻抗很小，所有其有巨大的平衡作用，以致逆變器輸出電流頻率對電網頻率的影響可以忽略不計，在加上PLL在系統中的調節作用，誤差△f保持在所允許的范圍內，光伏發電系統正常運行；當電網因故障停止工作，孤島發生時，此時DSP反饋的電壓值為入網點a處的電壓。逆變器輸出電流頻率變化將對入網點處電壓產生一定的影響，在下一個eCAP中斷中，將以檢測到的逆變器的輸出電壓為基準，通過加上設定的誤差△f來控制下一個工頻周期內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，進而使誤差△f進一步增加，該過程不斷重復，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，檢測出系統處于孤島狀態進而實施保護。實際應用中，可以通過插入固定的死區時間或者強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）來實現AFD方案，電流給定信號與入網點a處電壓的關系[43]如圖4.6所示：圖4.6光伏發電系統的電流給定信號但是，主動移頻式孤島檢測法也存在一定的弊端。對于純阻性負載來說，AFD均能成功檢測出系統是否處于孤島狀態；對于RLC并聯負載，AFD存在非檢測區，并且RLC負載品質因數越大，孤島檢測越容易失敗。主動移頻的思想是：對電流頻率施加一定的擾動，促使孤島發生系統重新穩定后的頻率發生偏移，直到超出所設定的閾值范圍，以致系統能識別出孤島的發生。RLC負載的品質因數越大，將入網點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生。品質因數與孤島檢測失敗的關系圖[43]如圖4.7所示：圖4.7高品質因數RLC容易檢測失敗的原因孤島檢測成功的關鍵：電網失壓后，入網點a處電壓頻率出現較大的偏移。主動移頻的控制思想是：通過擾動促使電流頻率發生偏移，進而改變電壓頻率。但是，主動移頻法不是萬能，也存在檢測失敗的情況，其原因如下：(a)負載阻抗角，即負載呈純阻性。電壓與電流同頻同相，基于負載的特性，通過控制電流頻率的變化來觀察電壓的變化，以致相對于上一個周期而言，每個周期頻率都發生單向偏移，進而超出所設定的閾值范圍，孤島檢測成功。(b)負載阻抗角，即負載呈容性。電流超前于電壓，但兩者同頻同相。負載的相位角決定電流超前電壓的角度。因為電流超前，所以電壓過零點檢測時所得到的檢測時刻將延后，即電壓周期變大。以致不能通過電壓的變化來觀察主動式移頻算法中給定電流頻率的變化，如果AFD對頻率施加擾動△f的超前作用同負載阻抗角的滯后作用相互抵消，則相鄰周期間電壓過零時間間隔保持不變，頻率在所設定的閾值范圍之內，系統無法識別孤島。(c)負載阻抗角，即負載呈感性。電流滯后于電壓，但兩者同頻。由于電壓超前，電壓過零點檢測時所得到的檢測時刻將提前，從而促使頻率在原有基礎上進一步偏移，由此可見，此時不存在檢測盲區。但是，若AFD算法對電流頻率施加反向擾動，道理同負載呈容性的情況類似，AFD對頻率施加擾動△f的滯后作用同負載阻抗角的超前作用相互抵消，則相鄰周期間電壓過零時間間隔保持不變，頻率不發生偏移，孤島檢測失敗。為了避免以上情況發生而造成AFD檢測方法的失效，可以采用帶正反饋的主動式移頻式孤島檢測方法（AFDPF），其控制策略為，即不定時地分別朝兩個相反的方向對逆變器輸出電流頻率施加擾動，這種方法的優勢在于能避免擾動方向與負載性質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孤島效應檢測法圖中：cf1、cf2為兩個不同方向的擾動信號；△f1、△f2為施加擾動信號后，同的誤差。在主動移頻技術中，表征頻率擾動強度的參數為截斷系數，符號為cf（choppingfraction）。對于DSP和ARM雙核控制的光伏并網逆變器來說，AFDPF算法簡單，易于實現，且具有較小的檢測盲區，但是也存在一定弊端，就是輸出電能的質量會有所下降。(4)主動移相式檢測法主動移相式孤島檢測法同主動移頻式檢測法一樣，易于實現、無需增加額外的硬件、檢測盲區小等優點。通過對相位施加一定的擾動從而使電壓頻率發生偏移，直到超出所設定的閾值范圍，最后成功的檢測出系統是否處于“孤島效應”的狀態。滑動頻率偏移法[45-47]（slip-modefrequencyshift，SMS）是一種移相式孤島檢測方法，隨著孤島技術的進步，人們對其算法進行了研究和改進，但是其基本原理保持不變。后來，出現了自動移相法（Automaticphaseshift，簡稱APS）[44]。下面取SMS為例簡單說明主動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頻率間誤差的函數為并網逆變器輸出電流的相位，即：（2.24）式中，最大相位偏移m發生時的頻率（一般取，）；主動移頻算法移相角的最大值；電網頻率；入網點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的調整：通過鎖相環（PLL）電路來檢測入網點a處的電壓的過零上升沿間隔時間，將其作為下一周期給定電流的頻率，并且，入網點a處的電壓過零點上升沿時刻作為電流周期的起始時刻。若系統不施加SMS算法，并網逆變器輸出電流同入網點a處的電壓同頻同相；若系統中施加了SMS算法，則能促使逆變器輸出電流的相位發生偏移。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移頻式孤島檢測法一樣，電壓過零時刻的超前或滯后受兩個因素的影響：電流移相算法和負載相位角。若電網停止工作后，光伏發電系統重新達到穩態前，頻率一直都在正常工作范圍內，則將無法判斷系統是否處于孤島狀態。并網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負載相位。(a)時，鎖相環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，鎖相環電路檢測到的電壓周期相對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小；(c)時，移相算法所施加擾動產生的影響恰好與負載相位角的作用相互抵消，以致頻率幾乎保持不變，系統進入穩定運行的狀態[48]。主動移相式孤島檢測方法也存在缺陷，隨著品質因數升高，孤島檢測的難度也逐漸增大。并且，滑動頻率偏移檢測法對并網逆變器輸出電能質量產生了一定的影響。4.4.3電網側反孤島檢測法電網側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：在電網側安裝一個低阻抗元器件。阻抗插入系統框圖如4.11所示，在電網側b點所示位置通過斷路器K2接入一個電容器組件，一般情況下，K1處于斷開狀態。當斷路器開關K1斷開時，經過短暫延遲，斷路器K2閉合，電容器組接入系統。電網由于某種原因停止工作前，若并網逆變器輸出功率同負載需求相匹配，則大電容器組件將破壞系統的能量平衡狀態，進而導致頻率發生突降，同時系統電流—電壓相位發生突變，觸發繼電器動作，系統進入欠頻保護。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過程，因為電網側附加的裝置呈容性，對感性負載能起到一定的補償作用，致使系統無法識別孤島效應。此種情況下，感性負載很大，且頻率在開關切換過程中將發生偏移，而系統正好能利用短暫的延遲時間來檢測其變化，進而判斷是否處于孤島狀態。理論上，附加部分可以使用類似大電阻的阻抗，這將使入網點a處電壓幅值發生變化，但是，使用大電容組件，對電網能起到無功補償的功能。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成本；(b)電網側串聯開關數量增多，從而增加了發生孤島的幾率。(c)電網斷路器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)在電網側安裝電容組件，增加了安裝的難度，同時也不能排除大電容組件是否對電網存在一定的影響。另外，電網側還可以利用網絡監控數據采集系統（SupervisoryControlandDataAcquisition，簡稱SCADA）、電力載波通訊（PowerLineCarrierCommunication，簡稱PLCC）等遠程通訊手段來監控光伏太陽能發電系統上所有繼電器的狀態，進而及時檢測出孤島的發生。第五章雙向轉換電源的EMC設計由于光照、溫度等外界因素的影響，光伏陣列發出的是非線性的直流電，又由于半橋逆變器高開關頻率的影響，導致產生的大量高次諧波干擾影響系統的穩定性，因此濾波器就起到了至關重要的作用。本章主要對現有的48VDC/220VAC雙向轉換電源進行EMC設計，主要是濾波設計，使產品符合CQC及CE標準認證要求。5.1直流側濾波器5.1.1直流側濾波器的分類和比較一般直流側濾波器采用一個大容量的電容C進行平波，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構與傳統的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到較好的濾波效果，因此本系統采用型結構。5.1.2全橋逆變器型濾波器設計因為型濾波器結構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構。在光伏系統中，入網電流受到直流側電壓的影響，若直流側電壓含有諧波分量，那么通過逆變器之后，交流側一定會產生諧波電流。當功率開關管頻率比較高時，諧波主要分布在開關頻率及其整數倍頻率附近。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開關周期內，可把太陽光伏電池板作為穩定的直流恒流源，暫態分析中可認為，因而圖5.2所示結構可以等效為：圖5.3型濾波器對于圖5.3所示的型濾波器，可知電容與串聯，然后與電容并聯，其中，這樣就有等效轉移阻抗為：（5.1）（5.2）（5.3）由并聯電路特點可知：（5.4）（5.5）聯立（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）型結構濾波器，由電感和電容組成，在某頻段內會發生諧振，即相當于當電容與串聯呈電感性時，然后與電容并聯發生并聯諧振，應該使得諧振頻率遠離電網頻率以及整數倍電網頻率，主要為50Hz、100Hz、150Hz、200Hz、250Hz。那么諧振時等效阻抗為：（5.10）當發生并聯諧振時，分母為零，則有：（5.11）整理可得：（5.12）進一步可得：（5.13）（5.14）則有并聯諧振頻率為：（5.15）5.2交流側濾波器本系統中逆變電路（DC/AC）產生的諧波嚴重影響了光伏并網系統的正常運行，必須進行有效的抑制，才會使得系統能夠穩定、可靠的運行。在理論上，有源濾波器可以有效地抑制諧波，但是由于技術復雜、成本高而未能獲得廣泛應用。在實際應用中由于無源濾波器成本低，相對于有源濾波器更加穩定、可靠。無源濾波器既可以抑制諧波，也可以進行無功補償。因此，無源濾波器在治理諧波方面仍起著重要作用。在整個系統中包含大量的非線性高速元件，可能引起并網電流和電壓波形的畸變；由于采用正弦波脈寬調制（SPWM）方式進行控制，功率開關器件的開關頻率很高，在運行過程中將會產生大量的高次諧波輸入電網中，這樣就使得電網電流中含有大量高次諧波，降低電網電流的質量，為了濾除入網電流中的高次諧波，并且獲得較低的THD，就必須在電網和逆變電路之間接上諧波濾波器。此外，濾波器參數的選取影響電流環的動、靜態響應，以及影響著并網系統輸出功率、直流電壓和系統功耗等。5.2.1并網濾波器分類和比較通常并網無源濾波器分為：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濾波器結構比較簡單，控制特性比較好，但是其高頻諧波衰減效果不佳，想達到設計要求的濾波效果，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，使得整個系統的穩定性、快速性變差；LC型濾波器，雖然結構和參數選取比較簡單，但是不能很好的抑制輸出電流的高頻諧波，由于電網的阻抗不能確定進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對高頻諧波電流起到很大的衰減作用，有助于逆變器在開關頻率較低的情況下得到較高質量的并網電流[51,52]。通過以上分析，本系統交流側采用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，為調制頻率，，為載波幅值，為調制波幅值。經過上述的分析和計算表明[54]：單極性SPWM調制時輸出電壓波形中的最低次諧波的次數為(N-3)或(2P-1)。其中P為每半個正弦波內的脈沖電壓數[55]。5.2.3LCL型濾波器的設計光伏并網系統交流側濾波器的主要作用為：(1)將并網系統交流側的PWM諧波電流濾除，從而保證并網電流的功率因數接近1；(2)將電網電壓和逆變器輸出的電壓分隔開來，控制并網型逆變器輸出的電壓幅值和相位，進而實現控制并網電流幅值和相位；(3)同時濾波電感對電流有阻尼作用，這樣有利于控制系統的穩定性的提高；(4)在保證良好的并網電流波形的同時，還可以根據電網的需要提供給電網無功補償[56]。在進行LCL濾波器設計時，要對濾波器體積大小、電感參數及磁芯、輸出電流紋波大小、諧振頻率和動態特性進行考慮，折中后再進行選擇。LCL型濾波器的電路圖如圖5.6所示。圖5.6LCL型濾波器對于50Hz的低頻電流，LCL濾波器呈現出低阻抗特性，基本不起產生衰減作用；對于高次諧波電流起到極大的衰減作用。對LCL型濾波器進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）假設時，則式（5.23）可以寫成：（5.24）當時，式（5.24）可化為：（5.25）由上式可以得出：對于基本電流分量來說，由于，則有，相當于只有一個電感L濾波器，沒有濾波電容；對于高頻電流分量來說，由于，則有，相當于一個三階低通濾波器，能夠有效的抑制開關頻率附近的諧波。3、LCL濾波器參數的確定如圖5.6中，為電網電壓，為逆變器前側直流電壓，，為濾波器電感，C為濾波電容，為的等效電阻，為的等效電阻。由于兩個等效電阻很小，在計算中忽略不計。電感參數的大小與紋波電流、系統功耗有關，當電感值L越大，則紋波電流及其與之相關的損耗就會越小，但電感越大，其體積越大，電感本身的損耗也會越大。所以，選取電感時要考慮各方面因素，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：，其中為入網電流。本系統的調制方法為單極性，那么設定功率開關管在一個開關周期內導通的時間為，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（5.26）中有：（5.28）對求導有：（5.29）對于入網電流要求其與電網電壓同頻同相，因而，式(5.29)的值為0，則可得到：當時，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）經過分析可以知道：對于基波電流，LCL濾波器的濾波電容相當于開路，這樣相當于總電感起作用，其上的電壓壓降為，則有，其中，=50Hz為電網頻率。根據三者的矢量關系有：（5.33）因為存在入網電流與電網電壓相位不一致的情況，則需要考慮兩者間相角的影響，則根據余弦定理可以得到關系式：（5.34）其中：電感電壓和電網電壓之間的夾角為。將帶入式（5.33）有：（5.35）若，電感的取值范圍為：（5.36）代入數值，，，可得：即：濾波器電容與無功功率、諧振頻率相關聯，這樣電感和電容在取值時要進行折中。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，進而導致電感體積比較大。通常，以總功率的15%作為無功功率進行計算，則有電容值取值范圍：（5.37）其中：P=6kW為整個系統的額定功率，f=50Hz為電網頻率，為電網電壓。代入本設計數值得：、和C之間關系比較復雜，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雜，它們的取值直接影響了兩個濾波電感上的壓降、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的減小濾波電感的取值，從而減少濾波器的體積，同時濾波電容越大，的比值對整個系統濾波效果的影響就越明顯。有關的文獻已經證明[56]：電感決定輸出的電流紋波、電感和電容C對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管在功能、效率、體積重量等方面具有無可比擬的優勢，因此在許多行業領域均獲得了廣泛的應用，但是功率開關管的開關工作方式所引起的電磁干擾問題卻成了一個顯著的缺陷，所以解決電磁干擾（ElectromagneticInterference，EMI）問題成為提高整個系統性能的關鍵。光伏并網的廣泛應用前景使其電磁兼容成為國內外研究的熱點。5.3.1電磁兼容根據國際電工委員會（InternationalElectrotechnicalCommission，IEC）的定義，電磁兼容(Electromagneticcompatibility，EMC)是指電氣和電子設備在共同的電磁環境中能執行各自的功能的共存狀態，它們不會因為內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方面的含義[58]：(1)電磁干擾（ElectromagneticInterference，EMI），處在一定環境中的設備或系統，在正常運行時，不應產生超過相應標準所要求的電磁能量，相對應的測試項目根據產品類型及標準不同而不同；(2)電磁敏感性(ElectromagneticSusceptibility，EMS)，處在一定環境中設備或系統，在正常運行時，設備或系統能承受相應標準規定范圍內的電磁能量干擾，相對應的測試項目也根據產品類型及標準不同而不同；(3)電磁環境，即系統或設備的工作環境。電磁干擾包括電磁敏感度和電磁發射兩方面內容，電磁敏感度是指電子設備抵抗電磁干擾的能力，而電磁發射是指電子產品產生的對外電磁干擾。電磁干擾必須有三個因素同時存在才能形成：電磁干擾源、對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該從以上三個方面入手。電磁兼容性可從電磁發射和電磁敏感性兩方面來分析，其中電磁發射分為傳導發射和輻射發射，電磁敏感度分為傳導敏感度和輻射敏感度。EMC的設計就是抑制干擾源的電磁干擾發射，提高敏感設備的電磁干擾敏感度，以及切斷干擾途徑的過程。5.3.2電磁干擾根據現今階段的研究，在電力電子設備的工作頻率范圍中，電磁干擾以傳導干擾為主，且以差模干擾（DifferentialMode，DM）和共模干擾（CommonMode，CM）的形式表現出來。差模干擾是串聯于信號回路中的干擾，與頻率有關；共模干擾是干擾電壓同時加到兩條信號線上出現的干擾，共模干擾要變成差模干擾才能對電路起作用。由于功率開關管的快速開關引起的高du/dt和di/dt，大功率開關管運行時會產生大量的差模和共模干擾信號，使得逆變器前后都含有大量的高次諧波，嚴重污染了電網，影響了電網電能的質量。因此根據電磁干擾的特性，通常使用接地、屏蔽、濾波這三種方法對電磁干擾信號進行抑制。EMI濾波器在抑制傳導干擾方面是極為有效的手段，因此，在功率開關管中使用EMI濾波器來提高設備抗干擾的能力。共模干擾是相線對大地或者中線對大地之間的電位差，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，在電磁干擾信號中的頻譜范圍也不一樣，根據相關文獻中的敘述可以得到，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。這樣就可以根據不同頻段特點進行抑制。5.3.3參數設定EMI濾波器的主要性能指標一般包括插入損耗、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、可靠性和使用環境等，在多數情況下，插入損耗、漏電流、額定電壓和額定電流為主要參數。（1）插入損耗插入損耗是EMI濾波器的重要參數，是頻率的函數。它的定義為沒有濾波器接入時，從噪聲源傳輸到負載的功率和接入濾波器后，噪聲源傳輸到負載的功率之比，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：聯立以上兩式可得：（5.41）進而可以得到插入損耗的計算公式：（5.42）通過上式可以知道，插入損耗與濾波器的源阻抗和負載阻抗有關。插入損耗越大，濾波器的性能越好，濾除干擾的能力越強。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，對于漏電流都有嚴格的規定。如表5.1所示，列舉了幾個國家的安全漏電流的標準。表5.1安全漏電流標準根據安規要求，要求的漏電流越小越好，這樣得到的安全性就越高，計算公式如下式所示：（5.43）上式中，為漏電流，為電網頻率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、穩定的持續工作。濾波器的額定電壓一般為輸出最大峰值電壓的兩倍。額定電流是在規定的環境穩定和額定電壓條件下，EMI濾波器能夠穩定、持續的工作電流。一般情況下，環境穩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，工作頻率越高，允許的工作電流就越小。因此，為保證EMI濾波器能夠以最優工作，一般取實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濾波器設計現今，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、運行穩定、技術相對成熟、結構簡單及維護方便等優點，所以本文采用無源EMI濾波器。無源EMI濾波器結構有單級和多級，多級是多個單級進行級聯而成，那么先分析一下單級結構，對于EMI信號來說，電感呈高阻抗，電容呈低阻抗，所以在進行EMI濾波器電路結構的設計時應遵循下列原則：若源內阻和負載是阻性或感性的，與之端接的EMI濾波器接口就應該是容性的；若源內阻和負載是容性的，與之端接的濾波器接口就應該是感性的。傳統的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成，但是由于分立元件數量多、體積大，引線長造成的分布電感和分布電容對整個濾波器的濾波效果產生很大的影響，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繞組應該相互對稱，這樣，差模電感對于共模電流沒有影響，共模電感對于差模電流也沒有影響，共差模相互獨立。傳統的EMI測試方法有兩種：阻抗穩定網絡法（LISN）和電流探頭法。其中，阻抗穩定網絡法必須在屏蔽室內進行，利用LISN測量出被測設備沿著電源線向電網發射的干擾電壓，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備和輸入電源或者電網，濾除由輸入電源線或者電網線引入的噪聲干擾，并且在50電阻上提取噪聲的相應信號值送到接收機進行分析[59]。現今最常用的單級EMI濾波器結構如下圖所示。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濾波器基本結構根據抑制干擾信號的不同，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