CN107623435A - 光伏组件串列的双向共模差模emi滤波器及其设计方法 - Google Patents

光伏组件串列的双向共模差模emi滤波器及其设计方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于光伏组件串列EMI滤波器技术领域，尤其涉及一种光伏组件串列的双向共模差模EMI滤波器及其设计方法，包括：逆变器侧高通型阻抗匹配网络、光伏组件串列侧高通型阻抗匹配网络、尖峰脉冲干扰信号抑制电路、共模与差模基本型低通滤波电路、共模隔离与差模隔离网络组成。本发明通过将光伏组件串列、逆变器和电网负载进行等效电路建模，考虑逆变器开关管开关工作时序和光伏组件串列自身分布参数的影响，对该过程中存在的共模和差模电磁干扰信号进行分析，进而针对性的设计了X叉接网络滤波器，为光伏组件串列与逆变器间的电力线载波通信内电磁干扰号的滤除提供一种EMI滤波器设计和分析方法。

Description

光伏组件串列的双向共模差模EMI滤波器及其设计方法
技术领域
本发明属于光伏组件串列EMI滤波器技术领域，尤其涉及一种光伏组件串列的双向共模差模EMI滤波器及其设计方法。
背景技术
近年来，我国光伏发电产业步入快速发展阶段，光伏电站正向规模化和大型化发展，若干兆瓦级并网光伏电站相继在青海、甘肃、宁夏等地开工或运行。据国家能源局统计，截至2015年底，我国光伏发电装机达0.43亿kW，超过德国成为世界上光伏累计装机容量最大的国家。
目前现有的光伏发电电站中光伏组件串列运行监控系统的通信方式多采用无线、RS485等结合光纤传输的传统方式，但由于大型光伏发电电站规模庞大，因此传统通信方式显得捉襟见肘。目前，一种利用电力线载波技术与无线、光纤等多种通信方式融合的手段传输光伏组件运行状态数据的监控系统已经在科研院所开展研究。然而，该融合的通信方法的一个技术难点在于，逆变器产生的电磁干扰包含共模、差模两种电磁干扰信号，将严重影响电力线载波通信信号的传输。
目前电磁干扰(EMI)滤波器仅有逆变器内及交流开关电源的EMI滤波器。开关电源EMI滤波器是为了滤除开关电源的高频谐波而设计，用于提高电能质量，位置位于开关电源与负载阻抗之间。逆变器内的EMI滤波器是为满足电网侧35次以下谐波指标而设计，而逆变器的开关工作频率一般为10KHz到几十KHz，形成的电磁干扰信号也在这一频段范围内，这些干扰信号频率远高于电网侧35次以下谐波频率，因国际及国内对这一频段的电磁干扰抑制没有要求，所以逆变器生产厂家为节约成本大多不设这一频段的滤波器。这两种滤波器均仅滤除单干扰源的干扰信号，而在光伏组件阵列与逆变器间的直流侧均未设EMI滤波器。
发明内容
为了解决逆变器和光伏组件自身分布参数引起的电磁干扰，本发明提出了一种光伏组件串列的双向共模差模EMI滤波器，由逆变器侧高通型阻抗匹配网络、光伏组件串列侧高通型阻抗匹配网络、尖峰脉冲干扰信号抑制电路、共模差模基本π型低通滤波电路、共模隔离型X叉接网络以及差模隔离型X叉接网络组成。
所述共模隔离型X叉接网络的抑制共模电流的方式为：由端口①进②出的共模尖峰电流，因流进电感L1中的电流不能突变，共模尖峰电流将经接到①端口的RC电路、O连线及接到②端口的RC电路流动；同时，由端口③进④出的共模尖峰电流也要流经O连线，这两者的电流在电路参数完全一样时，是大小相等、方向相反的，从而消除和抑制了共模尖峰电流。
所述差模隔离型X叉接网络的抑制差模电流的方式为：二个RC电路和电感L2、L3刚好组成文式电桥，因电桥在平衡时对端衰耗为无穷大，因此当由端口①进③出的差模电流在电路参数完全一样时，在②、④端口的流出和流进的电流应为零。
一种光伏组件串列的双向共模差模EMI滤波器设计方法，包括：
步骤一：根据光伏组件串列/阵列、逆变器及电网的连接关系，建立在逆变器开关器件轮流通断时产生的噪声干扰信号等效电路；
步骤二：对电网及负载、逆变器及组件阵列分别进行电路等效；
步骤三：对逆变器差模\共模电磁干扰信号进行分析和测试；
步骤四：对光伏组件串列电磁干扰信号进行分析和测试；
步骤五：根据逆变器和光伏组件串列电磁干扰信号分析及测试结果来确定滤波器设计要求；
步骤六：按照步骤五的设计要求将滤波器设计成由逆变器侧高通型阻抗匹配网络、光伏组件串列侧高通型阻抗匹配网络、尖峰脉冲干扰信号抑制电路、共模差模基本π型低通滤波电路、共模隔离型X叉接网络以及差模隔离型X叉接网络组成。
所述电网及负载的等效电路包括：电网及负载侧的滤波电感和逆变器至电网间的输电导线寄生参数的等效电感L；负载、输电导线的等效负载电阻R。
所述逆变器的等效电路包括：逆变器开关器件集电极和发射极的对地等效电容Cc1、Ce1和Cc2、Ce1，逆变器产生的共模电流干扰信号Irc，逆变器产生的差模电压干扰信号Urd，逆变器中的削减纹波干扰的电容C。
所述组件阵列的等效电路包括：组件串列产生的共模电流干扰信号Ipc，组件串列产生的差模电流干扰信号Ipd，组件阵列的总的等效寄生结电容CjM，组件阵列总的等效寄生电感LiM，组件阵列两侧的对地等效电容Cp1和Cp2。
所述滤波器设计要求包括：逆变器和光伏组件串列产生的电磁干扰信号的总衰减应达到80dB左右，使干扰信号的幅度低于80mV；逆变器和光伏组件串列间的滤波器避免使用接地；应能同时对共模干扰信号和差模干扰信号进行衰减和抑制；应采用低通型滤波器为基本形式；应考虑与逆变器和光伏组件串列的阻抗匹配；电感的直流特性：直流工作电流0-10A、最大20A，直流电阻小于1mΩ，电感的交流特性：工作频率F＝10KHz-20KHz，I≤3A或F＝25KHz-500KHz，I≤1A，电感交流耐压：600V，电感品质因数Q≥250。
本发明的有益效果在于：旨在研究利用电力线载波通信方式传输光伏组件运行状态数据时，设计一种双向共模、差模EMI滤波器，以滤除由于并网时的逆变器及光伏组件的寄生参数引起的电磁干扰信号，实现数据的正常传输。
附图说明
图1为光伏组件串列/阵列、逆变器及电网的连接示意图。
图2为非隔离型光伏电站含干扰源的简化等效电路。
图3为具有隔离功能、能抑制双侧干扰信号的X型滤波器图。
图4为尖峰电流和尖峰电压时序图。
图5为共模差模基本型低通滤波器及阻抗匹配网络。
图6为共模隔离型X叉接网络及其等效电路。
图7为差模隔离型X叉接网络及其等效电路。
图8为X型滤波器的仿真结果。
具体实施方式
下面结合附图，对实施例作详细说明。
1、建立逆变器与组件阵列间的电磁干扰等效电路模型
光伏组件串列/阵列、逆变器及电网的连接示意图如图1所示。在逆变器开关器件轮流通断时产生的噪声干扰信号等效电路，如图2所示。
将图2分为电网及负载、逆变器及组件阵列分别进行电路等效。
电网及负载等效电路如下：L是电网及负载侧的滤波电感、逆变器至电网间的输电导线寄生参数等的等效电感；R是负载、输电导线等的等效负载电阻。
逆变器等效电路如下：Cc1、Ce1和Cc2、Ce1分别是逆变器开关器件集电极和发射极的对地等效电容，这两对等效电容是因逆变器开关管的集电极、发射极与金属散热片之间涂有很薄的导热硅脂绝缘层，且散热器与设备机壳用螺钉连接在一起并接大地，如此形成了开关管的集电极、发射极与散热器之间的等效对地电容。Irc是逆变器产生的共模电流干扰信号，Urd是逆变器产生的差模电压干扰信号。C是逆变器中的削减纹波干扰的电容。
组件阵列等效电路如下：Ipc是组件串列产生的共模电流干扰信号，Ipd是组件串列产生的差模电流干扰信号。CjM是组件阵列的总的等效寄生结电容，LiM是组件阵列总的等效寄生电感。Cp1和Cp2是组件阵列两侧的对地等效电容。
上述分析仅针对光伏并网发电系统采用非隔离型时，当光伏并网发电系统在逆变器与电网间采用隔离变压器时，由于变压器的隔离作用，共模电流干扰信号将不存在，但差模干扰信号还将存在，对载波信号仍然有严重的干扰，仍需对其进行滤波抑制。
无论是隔离型逆变器还是非隔离型逆变器，逆变器的第一级都是DC/AC变换，逆变器产生的输出电压是一连串PWM脉冲电压(它的幅值是直流母线电压Vdc，脉冲宽度由每个开关周期输出电压的幅值决定)，这些脉冲由功率开关管(IGBT、MOSFET等)产生。在逆变器开关器件轮流导通期间，逆变器及电网对光伏阵列呈低阻抗，光伏阵列将以冲击尖峰电流的形式流向逆变器，产生冲击尖峰电流，同时按欧姆定律，此时的电压将迅速下降；在逆变器开关器件轮流关断期间(前一组开关由导通转向截止，后一组开关尚未导通期间，称这一期间为“死区时间”)，逆变器及电网对光伏阵列由低阻抗变高阻抗，按欧姆定律此时电压将迅速上升，产生尖峰电压，同时电流将迅速下降。
此外，回路中的等效电感和等效电容在开关器件轮流通断的过程中，其电感的感应电动势、储能及续流作用，电容的充电和放电作用，以及电感和电容构成的谐振效应使电磁干扰信号的波形更加复杂。
逆变器电磁干扰信号分析
1)逆变器差模干扰分析
光伏电站内产生强的电磁干扰之元凶主要是逆变器，各开关管轮流通断时必然引入尖峰电流和尖峰电压。如在图1T1、T4关断而T3、T6还没导通时在“死区时间”形成尖峰电压，虽受图3中电容C的影响但电压的突变非常迅速，可达10KV/μs；在T1、T4导通时形成尖峰电流，受图3中电感L的影响，电流上升不及电压上升的快。这些尖峰电压作用于直流母线端对光伏组件串列/阵列形成传导性差模干扰信号；这些尖峰电流作用于逆变器对逆变器形成传导性差模干扰信号。
而且这些干扰电流和电压信号在各种等效寄生参数的影响下还包含有大量的谐波。虽采用几千uF的大电解电容C来滤除这些谐波，但是其具有较大的等效电阻和寄生电感，以及电解电容对高频率的失效作用，电解电容不能完全滤除这些谐波，防止电压突变的作用也大大降低；电感L也具有较大的等效电阻和寄生电容，与电路中的其它寄生参数也将一起发生谐振，同时流过电感L的电流不能突变，对尖峰电流的上升和下降起到一定延缓作用。可见，光伏组件串列/阵列输出侧与逆变器输入侧产生差模干扰的主要原因是逆变器开关管的轮流通断产生了脉动的、多谐波的电流、电压信号。同时它们也作为辐射源，将对空间辐射电磁干扰信号。
按上述分析，逆变器开关器件导通和关断时的差模电流尖峰和电压尖峰波形的时序图如图4所示。
可见，光伏电站的差模电磁干扰信号是由逆变器及光伏组件串列/阵列共同产生的。
2)逆变器共模干扰分析
逆变器产生的共模干扰是由于逆变器快速开关导致输出电压变化产生的du/dt和系统输出侧的寄生电容联合产生的，共模电流在输入相与参考地之间流动。
在逆变器开关器件导通时，开关器件的集电极等效电容并联为C，等效电容C两端的电压不能突变、逆变输出侧的滤波等效电感L中的电流不能突变，尖峰电流产生左负右正的反向感应电动势，经等效电容C流入大地，再经组件串列/阵列的对地等效电容形成组件串列/阵列与逆变器之间的共模干扰电流。
在逆变器开关器件截止时，逆变器中开关电路中的“死区时间”可形成尖峰电压，且电压的突变非常迅速，可达10KV/μs，通过逆变器等效对地电容C的耦合流入大地，同样经组件串列/阵列的对地等效电容形成组件串列/阵列与逆变器之间的共模干扰电流，对光伏组件串列/阵列及逆变器形成共模干扰。
上述分析对隔离型和非隔离型光伏并网系统均适用，非隔离型光伏并网系统因为没有变压器作为电气隔离，存在地电流的环路。此时，共模干扰将成为直流光伏组件串列/阵列侧及逆变器输入侧的主要元凶。
可见，逆变器工作时对光伏组件串列的电磁干扰，主要因各串臂开关轮流导通所致，而且差模和共模干扰共存。
光伏组件串列电磁干扰信号分析
光伏组件在产生光生电流过程中，受光照、温度、风向及风力等环境因素的影响，产生的光生电流在一定频率范围内是变化的。不同变化频率和幅度的光生电流的相互作用及系统中存在的各种非线性因素(光伏组件内的等效二极管结电容Cj、电池片连线等效电感Li，光伏组件正负极与大地的等效电容CP等)，会产生一定量的非线性干扰信号；另外将光伏组件视为天线，也会向空中发射和从空中接收电磁干扰信号。测试结果表明，在逆变器不工作、光伏组件串列带纯阻性负载时，非线性干扰信号及电磁干扰信号它们的幅度一般不超过-10dBm，频谱从几十Hz到几十MHz，在150KHz以下噪声干扰较多一些，在150KHz以上至2MHz内噪声干扰幅度小且呈均匀分布，对直流载波通信的干扰程度较小，只要直流载波通信的幅度足够高，并选择干扰信号较小的频段，一般不会影响直流载波的正常通信。
但在逆变器工作时，在逆变器开关器件导通时光伏组件串列/阵列的输出电流将瞬间产生近10A的差模冲击电流，在逆变器开关器件截止时又会在光伏组件串列/阵列形成一定的脉冲型电压干扰信号，对载波通信而言这两者都是十分大的差模干扰信号。逆变器产生的电磁干扰信号幅度高、频谱较窄，频率范围一般从10khz左右到几十khz，通过组件串列/阵列的两个对地等效电容，通过大地还将耦合进电网及逆变器的共模电流干扰信号。
因光伏组件串列/阵列在光生电过程中对差模电压信号有一定的“放大”作用，所以差模传导性干扰是主要元凶；其次，光伏组件串列/阵列的二个对地等效电容对共模干扰信号有一定的抑制作用，但因其两侧的对地等效电容并不相等，部分共模干扰信号将转化为差模干扰信号，因此该共模电磁干扰信号也应予以滤除。
综上所述，逆变器和光伏组件串列都是电磁干扰源，而且电压、电流型干扰信号共存，差模干扰和共模干扰共存。这些严重的电磁干扰信号对光伏组件间的载波通信是灾难性的，必须予以滤除。
上述分析仅针对光伏并网发电系统采用非隔离型时，当光伏并网发电系统在逆变器与电网间采用隔离变压器时，由于变压器的隔离作用，共模电流干扰信号将不存在，但差模干扰信号还将存在，对载波信号仍然有严重的干扰，仍需对其进行滤波抑制。
2、滤波器设计
滤波器设计要求
对逆变器和光伏组件串列间的EMI滤波器的设计和制作要求是：
1)从逆变器和光伏组件串列电磁干扰信号分析及测试结果证明，在逆变器和光伏组件串列间的电磁干扰信号，高达光伏组件串列输出直流电压的10％左右，即可高达60V至80V，而在光伏组件间的载波通信信号只有20mV至50mV，为保证载波通信的正常进行，需对逆变器和光伏组件串列产生的电磁干扰信号的总衰减应达到80dB左右，使干扰信号的幅度低于80mV。
2)光伏电站内的大地上的电磁干扰信号十分繁杂，不仅干扰信号频率多、极有可能包含有载波通信的频率而干扰载波通信的正常进行，而且幅值也高达几十伏至上百伏，因此设计的逆变器和光伏组件串列间的滤波器应尽量避免使用接地。
3)因在逆变器和光伏组件串列间的直流电压是600V至800V之间，故用有源器件制作该滤波器价格高，应考虑用无源器件设计和制作逆变器和光伏组件串列间的滤波器。
4)用无源器件设计和制作滤波器要考虑体积小、价格便宜，故所用电感数量不宜过多。
5)对逆变器和光伏组件串列电磁干扰信号的抑制和消除，即可以在逆变器和光伏组件串列间进行，也可以在组件监测模块中进行，还可以考虑在这两处同时进行。在两处同时进行时两个滤波器的衰减分别为40dB，可降低对滤波器的设计要求及制作难度。
故，逆变器和光伏组件串列间的无源器件滤波器对双侧干扰信号只要有大于40dB的衰减即可，大大降低了滤波器的设计和制作难度。
6)逆变器和光伏组件串列间的滤波器，应能同时对共模干扰信号和差模干扰信号进行衰减和抑制。
7)逆变器和光伏组件串列间的滤波器应对直流信号无衰减，对10khz到50khz的电磁干扰信号的衰减应达到设计要求，故应采用低通型滤波器为基本形式。
8)设计的逆变器和光伏组件串列间的滤波器，应考虑与两侧的逆变器和光伏组件串列的阻抗匹配。
9)电感设计要求：
直流特性：
直流工作电流0-10A、最大20A，直流电阻小于1mΩ。
交流特性：
F＝10KHz及20KHz：I≤3A，F＝25KHz-500KHz：I≤1A；交流耐压：600V，Q≥250。
其他要求：圆环形锰锌磁芯，铜漆包线1.6mm22线并绕或1.2mm23线并绕；卧式安装；精度1％-2％。
具有隔离功能的滤波器电路设计
为抑制和削减逆变器和光伏组件串列两侧电压、电流型干扰信号共存，差模干扰和共模干扰共存的电磁干扰信号，所以应设计和研制一种具有隔离功能、能抑制双侧共模和差模干扰信号的EMI滤波器。又因为在光伏电站不可不免地存在尖峰脉冲干扰信号，所以还需要对这些尖峰脉冲干扰信号进行有效抑制。设计和研制的此种滤波器电路如图3所示。
该滤波器由逆变器侧高通型阻抗匹配网络、光伏组件串列侧高通型阻抗匹配网络、尖峰脉冲干扰信号抑制电路、共模差模基本π型低通滤波电路、共模隔离型X叉接网络以及差模隔离型X叉接网络组成。故可称该滤波器为X型滤波器。
其中，D是二极管IN4007，D导通时的等效电阻与4.4uF电容组成高通型阻容网络，用于抑制尖峰脉冲干扰信号；C＝0.47uF、R1＝75Ω、R2＝150Ω；L1＝2.5mH是共模电感，L2＝L3＝2.5mH是差模电感。
图5是该滤波器共模、差模基本π型低通滤波器及阻抗匹配网络；图6是共模隔离型X叉接网络及其等效电路；图7是差模隔离型X叉接网络及其等效电路。
对差模隔离型电路而言，因X叉接网络的一个RC电路是高通型的，设计的RC电路的阻抗值与电感L2、L3在10KHz时的感抗值相同；对共模隔离型电路而言，设计的RC电路的阻抗值是电感L1在10KHz时的感抗值的一半，即二个RC电路的串联阻抗值与电感L1在10KHz时的感抗值相同。
共模隔离型X叉接网络抑制共模电流的原理是：由端口①进②出的共模尖峰电流，因流进电感L1中的电流不能突变，共模尖峰电流将经接到①端口的RC电路、O连线及接到②端口的RC电路流动；同时，由端口③进④出的共模尖峰电流也要流经O连线，这两者的电流在电路参数完全一样时，是大小相等、方向相反的，从而消除和抑制了共模尖峰电流。对另一侧的共模尖峰电流的消除和抑制也是如此。
差模隔离型X叉接网络抑制共模差模电流的原理是：二个RC电路和电感L2、L3刚好组成文式电桥，因电桥在平衡时对端衰耗为无穷大，因此欲由端口①进③出的差模电流在电路参数完全一样时，在②、④端口的流出和流进的电流应为零。对另一侧的差模电流的消除和抑制也是如此。
该滤波器的最大优点是：所用电感数量少、体积小、电路参数容易设计、无需接地而避免受到严重的大地电磁干扰。
该滤波器的仿真结果如图8所示，仿真结果对10KHz噪声干扰的抑制可达37dB，对40KHz对噪声干扰的抑制可达56dB。该滤波器在某实验中心光伏电站的测试结果如表1所示。
表1
上述实施例仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (8)

1.一种光伏组件串列的双向共模差模EMI滤波器，其特征在于，由逆变器侧高通型阻抗匹配网络、光伏组件串列侧高通型阻抗匹配网络、尖峰脉冲干扰信号抑制电路、共模差模基本π型低通滤波电路、共模隔离型X叉接网络以及差模隔离型X叉接网络组成。
2.根据权利要求1所述滤波器，其特征在于，所述共模隔离型X叉接网络的抑制共模电流的方式为：由端口①进②出的共模尖峰电流，因流进电感L1中的电流不能突变，共模尖峰电流将经接到①端口的RC电路、O连线及接到②端口的RC电路流动；同时，由端口③进④出的共模尖峰电流也要流经O连线，这两者的电流在电路参数完全一样时，是大小相等、方向相反的，从而消除和抑制了共模尖峰电流。
3.根据权利要求1所述滤波器，其特征在于，所述差模隔离型X叉接网络的抑制差模电流的方式为：二个RC电路和电感L2、L3刚好组成文式电桥，因电桥在平衡时对端衰耗为无穷大，因此当由端口①进③出的差模电流在电路参数完全一样时，在②、④端口的流出和流进的电流应为零。
4.一种光伏组件串列的双向共模差模EMI滤波器设计方法，其特征在于，包括：
步骤一：根据光伏组件串列/阵列、逆变器及电网的连接关系，建立在逆变器开关器件轮流通断时产生的噪声干扰信号等效电路；
步骤二：对电网及负载、逆变器及组件阵列分别进行电路等效；
步骤三：对逆变器差模\共模电磁干扰信号进行分析和测试；
步骤四：对光伏组件串列电磁干扰信号进行分析和测试；
步骤五：根据逆变器和光伏组件串列电磁干扰信号分析及测试结果来确定滤波器设计要求；
步骤六：按照步骤五的设计要求将滤波器设计成由逆变器侧高通型阻抗匹配网络、光伏组件串列侧高通型阻抗匹配网络、尖峰脉冲干扰信号抑制电路、共模差模基本π型低通滤波电路、共模隔离型X叉接网络以及差模隔离型X叉接网络组成。
5.根据权利要求4所述方法，其特征在于，所述电网及负载的等效电路包括：电网及负载侧的滤波电感和逆变器至电网间的输电导线寄生参数的等效电感L；负载、输电导线的等效负载电阻R。
6.根据权利要求4所述方法，所述逆变器的等效电路包括：逆变器开关器件集电极和发射极的对地等效电容Cc1、Ce1和Cc2、Ce1，逆变器产生的共模电流干扰信号Irc，逆变器产生的差模电压干扰信号Urd，逆变器中的削减纹波干扰的电容C。
7.根据权利要求4所述方法，所述组件阵列的等效电路包括：组件串列产生的共模电流干扰信号Ipc，组件串列产生的差模电流干扰信号Ipd，组件阵列的总的等效寄生结电容CjM，组件阵列总的等效寄生电感LiM，组件阵列两侧的对地等效电容Cp1和Cp2。
8.根据权利要求4所述方法，所述滤波器设计要求包括：逆变器和光伏组件串列产生的电磁干扰信号的总衰减应达到80dB左右，使干扰信号的幅度低于80mV；逆变器和光伏组件串列间的滤波器避免使用接地；应能同时对共模干扰信号和差模干扰信号进行衰减和抑制；应采用低通型滤波器为基本形式；应考虑与逆变器和光伏组件串列的阻抗匹配；电感的直流特性：直流工作电流0-10A、最大20A，直流电阻小于1mΩ，电感的交流特性：工作频率F＝10KHz-20KHz，I≤3A或F＝25KHz-500KHz，I≤1A，电感交流耐压：600V，电感品质因数Q≥250。
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