【报告】光伏逆变器引起的高频发射原位测量

Cees Keyer1，2，Roelof Timens2，Frits Buesink2，Frank Leferink2，3 1 阿姆斯特丹应用科学大学，部门，电气工程，阿姆斯特丹，荷兰，c.h.a.keyer@hva.nl 2 屯特大学，恩斯赫德，荷兰 3 荷兰泰勒斯，荷兰亨格洛 摘要：随着现代光伏安装的急速增加，制造商们也在用不同的兼容标准以宣称符合有关法规要求，例如欧洲EMC指令。这些所谓的兼容标准其实并未遵循欧洲EMC指令（的基本要求），更大程度上是寻求便利最大化，成本最低化。一些生产商仅在逆变器上安装以太网接口，就宣称其相当于一台可适用于IT设备的电脑。而过长的直流母线又会像天线一样产生电磁现象，目前却没有发行直流母线的相关标准。本文呈现的实验数据显示，光伏逆变器正在成为严重电磁干扰的原因，更谈不上符合EMC规范。 关键词： EMC指令，太阳能电池板，光伏逆变器，业余无线电干扰 一、简介 最近，由于光伏安装引起的对无线接收电磁干扰的投诉急剧增加。各国政府都大力补贴替代能源，其数量也在快速增长。并网逆变器必须符合欧盟共同市场中的国际协调标准。初步调查显示，一些供应商们会采用一种创新方法以满足最简单的电磁适应性（EMC）要求。实际上，这些供应商误用了其他产品而非逆变器的产品标准。 在Hamza等人的文章中 [2]，他们研究了一个固定安装的电网捆绑式光伏系统。其传导EMI测量结果显示在光伏系统的直流侧上传播着大量由逆变器模块所产生的发射。在Areneo等人的研究中报道了大型的光伏安装[3]。他们的实验结果表明直流电缆会形成电导耦合路径，也可能会成为一根天线。Piazza等人[4]的研究表明直流电缆是完美的天线。在该文章中还显示了RF的相互作用和有害的发射测量结果。在文[2，3]中，研究了高功率 >10 kW 光伏安装，在文[4]中，研究了低功率 < 3kW的光伏安装。 本文使用原位测量研究了住宅环境中三个不同低功率（< 3kW）转换逆变器所引起的干扰，并且对比了来自三个供应商的符合性声明。 二、欧洲EMC指令 欧洲EMC指令[3]的前言2中说到： 各成员国应负责确保无线电通讯，包括无线电广播接收和业余无线电业务运行符合国际电信联盟（ITU）无线电条例，供电网络，通讯网络以及与其连接的设备都进行了防电磁干扰保护。 在该指令前言 13中说到： 一旦在欧盟官方杂志上出版了需要参考此类标准，那么符合这类标准的规定则即为假定应符合其相关基本要求，尽管也应该允许采用其它方式来证明其符合性。 这就意味着国家机构应负责控制并检查产品能够满足基本要求（第 5条），并且如果产品未能满足基本要求，那么这些产品就会被要求下市。 然而，荷兰的执法人员，Agentschap电信，确实只是重点检查设备是否满足协调标准，而不考虑是否违反了指令的基本要求。实际上，在几乎所有的欧洲国家，负责执行法律的国家机构都因为预算限制问题而无法阻止不良供应商违反这些基本要求。 在西德德意志无线电广播在电视上播出了正确地应用欧洲EMC指令第5条（基本要求）和第6条（在协调标准基础之上的符合性假设）的案例[7]。 大家都知道市场监督存在问题[8，9]，但是在欧洲各成员国之间的差异也是非常大的。 三、光伏安装与测量设置 光伏安装是由与直流总线连接的光伏管或者“太阳能板”组成的。直流电压会被转换成为50 Hz 的正弦电压，接着该电压会通过光伏逆变器被供给电网。从而光伏逆变器就可以把太阳能转换到电网上。荷兰当地的电网连接安装《NEN 1010》条例允许将低功率≤ 600 VA直接连接到插座上，而不需要采取特殊的措施。能够提供更大功率（>600 VA）的光伏逆变器应连接在一根带保险丝的独立馈线上。在该馈线上，不允许连接任何其它设备。荷兰低电压（230 V）网系统标准（NEN 1010）中会要求这一点，是因为如果输出功率到电网，那么电流会“流过”保险丝。当将设备连接在同一根保险丝上时，例如，16 A保险丝，那么光伏安装就从您的光伏逆变器上输出了10 A电流到保险丝，那么该设备应使用26A的默认电流才能熔断保险丝，这不是大家想要的结果。 图1显示的是用于测量的Fischer Custom Communications F-35 与Rigol DSA 815频谱分析仪。尽管直流总线上有不同的CM模式电流测量方法 [2，5]，但是在本文的情况下，是不太可能打开DC总线，与线路阻抗稳压网络相连的。 三个逆变器的测量设置都是相同的。使用两根线夹紧直流总线，以防止直流夹具的饱和，并测量高频共模（CM）电流。在打开或者关闭逆变器开关的情况下，进行了直流总线测量。这样做是为了检查逆变器是否会引起CM电流。CM电流环路是由实际的安装所产生的，因此必须在原位进行测量。 第一次测量于01月31日，星期五，协调时间08:00在荷兰斯哈亨进行。 图 1：测量设置 图 2：30m电缆的 Soladin 600发射 图 3：带业余无线电天线的光伏管 有一位业余无线电操作员投诉在接受其它业余无线电时本底噪音及干扰都增加了。 图3所示的光伏安装，使用了大约30米的直流电缆，这个电缆的作用就像是完美的HF（高频）调谐天线带。在一年多以前就测量过直流和交流电网连接的发射，以诊断该安装中的干扰问题。图2中显示的是当时测量的一个快照。我们努力想要找出业务无线电操作员所投诉的干扰源。我们将电缆剪短了几米，以减少无用“天线”（直流电缆）的有效性。这么做极大地降低了干扰，但是依然还不够。 图4：SMA sunnyboy （红色） 和 Soladin 600 （蓝色1） 四、直流总线传导发射对高频带的干扰 我们进行了直流电缆的发射测量。业余无线电操作员利用两个不同的逆变器，两个来自 SMA （类型：Sunny Boy）、一个来自 Mastervolt（类型：Soladin 600），如图4所示。就在日出之后就马上进行了测量，因为当时传送到电网的功率相当低。两个逆变器的结果如图5和图6所示。 最高达到5 MHz时，来自SMA逆变器的发射比来自Soladin逆变器的发射要低为10-20 dB。在5MHz以上时，来自SMA逆变器的发射与来自Soladin逆变器的发射为同一个数量级。对于此范围内的一些频率来说，例如，10MHz和50MHz，来自Soladin的发射明显更高一些。当收听10MHz业余无线电频段时，噪音发散相当得大，SMA Sunny boy的噪音几乎要小10-20 dB。 在另一个位置我们也测量了另外一个Soladin 600。测量是在一个阳光明媚的早晨进行的，输送至电网的功率相比较之前有所增加。该逆变器安装在一个移动的架子上，向着太阳，如图7所示。图8显示的是测量结果图，单位为dBµV。直流电缆的长度为2米。与该早晨之前的第一次测量相比，在直流电缆上更高频率发射噪声确实有所增加。 第三个测量的逆变器为安装在普通家庭屋顶上的Omnik逆变器，带12光伏太阳能板，如图9所示。有两根直流总线连接，因此每根总线上有6块太阳能板。 Omnik逆变器安装在阁楼上。阁楼中没有住人，仅用于存储设备和家具。因此，来自其他电网连接设备的任何背景干扰只是来自当地的电网。 图 5：低太阳能功率测量Soladin 图 6： Soladin （蓝色） SMA （红色） 光谱测量 图7：移动的光伏阵列， Soladin安装在背面 图8：太阳照明较大的测量值 图 9：屋顶上的12块太阳能板，采用Omnik逆变器 如图10所示，在该逆变器的底部为两根用于连接直流总线的黑色/红色电缆，一根为230 V交流电缆（浅灰色），以及一根WIFI天线。 直流电缆的长度未知。其频谱测量如图11所示，大约比Soladin 600要低10-20 dB。 图 10：Omnik逆变器 图11： Omnik逆变器频谱 五、符合标准声明对比 在[10，11，12]的符合性声明中列出了其测试所采用的标准。发射标准列在表1中 表 I：发射标准清单 按照通用发射标准EC 61000-6-3 和IEC61000-6-4，对SMA Sunny Boy 和 Omnik 逆变器进行了测试。因此，也对直流总线进行了测试。然而，Soladin 600是按照IEC 61000-3-2 和IEC 55022标准进行测试的。 IEC 61000-3-2是针对电网上的谐波失真，针对额定电流最高为16A的设备。IEC 61000-3-12是针对电网上的谐波失真，针对额定电流为16-75 A的设备。IEC 61000-3-11是针对电压波动与电压变化。符合性声明[10，11，12]的对比表明Soladin600和SMA Sunny Boy是按照EN55022 （CISPR 22）进行测试的。这是信息技术（IT）设备的产品标准，SMA逆变器中含有一个wifi适配器CISPR 22。在IEC 61000-6-3中描述了直流电源总线的范围。在该标准中说到“3.5电源端口：电源端口指的是携带有设备运行（功能）或者与有关设备所需基本电源的导体或者电缆连接到该设备的端口”。该标准的下文中还说到：“3.8直流电源网络：在某个地方或者建筑物基础设施中，某台或者多台不同类型设备能够灵活使用，能够保证与公共电网相独立的持续电源供应的局部电源供应网络”[13]。因此，光伏安装的直流总线并不是本标准范围内的直流总线。 六、第 6条的误用 所有欧洲市场上的设备都应满足EMC指令的要求。一种常见的方法就是遵守第6条的规定，在第6条中说到当采用协调标准时，就会提出符合性的假设。这些协调标准是用于测试设备的。如果设备通过了这些测试，那么制造商就假定符合了EMC指令的规定，如指令2004/108/EC 第6条中所说的一样[6]。 设备的制造商可以选择适用的协调标准。由于在逆变器中集成了以太网端口，因此Soladin逆变器的制造商就会说这是一台带有某些特殊特点的电脑。对于IT设备，并没有关于来自直流总线传导发射方面的限制。如果读者们看一下另外两份符合性声明，那么你就会发现并没有提及直流总线方面的任何标准。SMA和Omnik使用的是来自61000-6系列的通用标准来测试其设备以及直流侧。Soladin 600仅测试交流侧（230 V），这是因为标准IEC 55022中并没有提到直流总线。这在光伏逆变器上可以使用的标准来说应特别注意，因为测量结果表明业余无线电操作员会受到严重的干扰。这可以作为向那些违反EMC指令基本要求的光伏逆变器提起法院诉讼非常好的证据。但是谁会提起诉讼呢？ 七、 结论 在国际协调标准中并没有描述光伏安装的直流总线发射。因此，制造商可以随心所欲地根据其预算制造设备。即使是设备安装了以太网端口，不适用通用标准，那么制造商们依然可以说这是一台具有特殊功能的电脑。制造商们会寻求 “创新”方法来让他们的产品上市，而不顾及无线电波普用户的权利。其电流可以引起高辐射干扰。实际上，供应商们违反了欧洲EMC指令的基本要求。由于受到国家当局的预算限制，光伏逆变器供应商可以继续进行其违法活动。 致谢 非常感谢无线电操作员PA5KK在本文测量中所进行的指导。 图12： PA5KK的“工作室” 参考文献 [1] 荷兰业余无线电协会VERON，EMC-EMF协会，第一作者为 Secratery。 [2] Hamza，D.；Jain，P.，《并网光伏系统中的传导 EMI》，《通讯能源大会（INTELEC）》第32期国际期刊，第1，7，6-10页，2010年6月。 [3] Araneo，R.；Lammens，S.；Grossi，M.；Bertone，S.，《高功率电网连接光伏工厂中的EMC问题》，《电磁兼容性》，IEEE交易，第51卷，第3期，第639，648页，2009年8月。 [4] Di Piazza，M.C.；Serporta，C.；Tine，G.；Vitale，G.，《低功率光伏工厂中直流侧的电磁兼容性特点》，《工业技术》，2004. IEEE ICIT '04. 《2004 IEEE国际会议》，第2卷，第672，677 页，第2，8-10卷，2004年12月。 [5] H. Haberlin，《光伏系统直流侧EMC测量的新DC-LISN：逆变器的实现与第一次测量》，第17届欧洲光伏能源会议，德国慕尼黑，2001年。 [6] 欧洲EMC指令2004/108/EC。 http://eurlex.europa.eu/LexUriServ/LexUriServ.do?uri=CELEX:32004L0108:en:NOT，2014年2月24日检查 [7] http://www.youtube.com/watch?v=-BZSXKxyJn0，2014年2月22日访问。 [8] Rajamaki，J.，《芬兰EMI 统计和 EMC市场监督之间的相关性》，《电磁兼容性》，2004. EMC《 2004 国际研讨会》，第2卷，第649，654页，第2，9-13 卷。2004年8月。 [9] Rajama ki，J.，《芬兰安全及 EMC市场监督统计》，《电磁兼容性》，2002. EMC 2002. 《IEEE 国际研讨会》，第2卷，期刊，第686，691页，第2，19-23 卷，2002年8月。 [10] 《马斯特威Soladin 600用户手册》，google搜索。2014年2月 22日访问。 [11] SMA Sunny Boy销售传单。google搜索。2014年2月 22日访问。 [12] 《Omnik用户手册》，google搜索。 2014年2月 22日访问。 [13] IEC 61000-6-3，《电磁适应性（EMC）》 - Part 6-3：通用标准 –住宅、商业和光工业环境的发射标准（IEC 61000-6-3:2006，IDT）