光伏逆變器引起的高頻發(fā)射原位測量

隨著現(xiàn)代光伏安裝的急速增加，制造商們也在用不同的兼容標準以宣稱符合有關(guān)法規(guī)要求，例如歐洲EMC指令。這些所謂的兼容標準其實并未遵循歐洲EMC指令（的基本要求），更大程度上是尋求便利最大化，成本最低化。一些生產(chǎn)商僅在逆變器上安裝以太網(wǎng)接口，就宣稱其相當于一臺可適用于IT設(shè)備的電腦。而過長的直流母線又會像天線一樣產(chǎn)生電磁現(xiàn)象，目前卻沒有發(fā)行直流母線的相關(guān)標準。本文呈現(xiàn)的實驗數(shù)據(jù)顯示，光伏逆變器正在成為嚴重電磁干擾的原因，更談不上符合EMC規(guī)范。 　　一、簡介 　　最近，由于光伏安裝引起的對無線接收電磁干擾的投訴急劇增加。各國政府都大力補貼替代能源，其數(shù)量也在快速增長。并網(wǎng)逆變器必須符合歐盟共同市場中的國際協(xié)調(diào)標準。初步調(diào)查顯示，一些供應(yīng)商們會采用一種創(chuàng)新方法以滿足最簡單的電磁適應(yīng)性（EMC）要求。實際上，這些供應(yīng)商誤用了其他產(chǎn)品而非逆變器的產(chǎn)品標準。 　　在Hamza等人的文章中，他們研究了一個固定安裝的電網(wǎng)捆綁式光伏系統(tǒng)。其傳導EMI測量結(jié)果顯示在光伏系統(tǒng)的直流側(cè)上傳播著大量由逆變器模塊所產(chǎn)生的發(fā)射。在Areneo等人的研究中報道了大型的光伏安裝。他們的實驗結(jié)果表明直流電纜會形成電導耦合路徑，也可能會成為一根天線。Piazza等人的研究表明直流電纜是完美的天線。在該文章中還顯示了RF的相互作用和有害的發(fā)射測量結(jié)果。在文中，研究了高功率>10kW光伏安裝，在文中，研究了低功率<3kW的光伏安裝。 　　本文使用原位測量研究了住宅環(huán)境中三個不同低功率（<3kW）轉(zhuǎn)換逆變器所引起的干擾，并且對比了來自三個供應(yīng)商的符合性聲明。 　　二、歐洲EMC指令 　　歐洲EMC指令的前言2中說到： 　　各成員國應(yīng)負責確保無線電通訊，包括無線電廣播接收和業(yè)余無線電業(yè)務(wù)運行符合國際電信聯(lián)盟（ITU）無線電條例，供電網(wǎng)絡(luò)，通訊網(wǎng)絡(luò)以及與其連接的設(shè)備都進行了防電磁干擾保護。 　　在該指令前言13中說到： 　　一旦在歐盟官方雜志上出版了需要參考此類標準，那么符合這類標準的規(guī)定則即為假定應(yīng)符合其相關(guān)基本要求，盡管也應(yīng)該允許采用其它方式來證明其符合性。 　　這就意味著國家機構(gòu)應(yīng)負責控制并檢查產(chǎn)品能夠滿足基本要求（第5條），并且如果產(chǎn)品未能滿足基本要求，那么這些產(chǎn)品就會被要求下市。 　　然而，荷蘭的執(zhí)法人員，Agentschap電信，確實只是重點檢查設(shè)備是否滿足協(xié)調(diào)標準，而不考慮是否違反了指令的基本要求。實際上，在幾乎所有的歐洲國家，負責執(zhí)行法律的國家機構(gòu)都因為預算限制問題而無法阻止不良供應(yīng)商違反這些基本要求。 　　在西德德意志無線電廣播在電視上播出了正確地應(yīng)用歐洲EMC指令第5條（基本要求）和第6條（在協(xié)調(diào)標準基礎(chǔ)之上的符合性假設(shè)）的案例。 　　大家都知道市場監(jiān)督存在問題，但是在歐洲各成員國之間的差異也是非常大的。 　　三、光伏安裝與測量設(shè)置 　　光伏安裝是由與直流總線連接的光伏管或者“太陽能板”組成的。直流電壓會被轉(zhuǎn)換成為50Hz的正弦電壓，接著該電壓會通過光伏逆變器被供給電網(wǎng)。從而光伏逆變器就可以把太陽能轉(zhuǎn)換到電網(wǎng)上。荷蘭當?shù)氐碾娋W(wǎng)連接安裝《NEN1010》條例允許將低功率≤600VA直接連接到插座上，而不需要采取特殊的措施。能夠提供更大功率（>600VA）的光伏逆變器應(yīng)連接在一根帶保險絲的獨立饋線上。 　　在該饋線上，不允許連接任何其它設(shè)備。荷蘭低電壓（230V）網(wǎng)系統(tǒng)標準（NEN1010）中會要求這一點，是因為如果輸出功率到電網(wǎng)，那么電流會“流過”保險絲。當將設(shè)備連接在同一根保險絲上時，例如，16A保險絲，那么光伏安裝就從您的光伏逆變器上輸出了10A電流到保險絲，那么該設(shè)備應(yīng)使用26A的默認電流才能熔斷保險絲，這不是大家想要的結(jié)果。 　　圖1顯示的是用于測量的FischerCustomCommunicationsF-35與RigolDSA815頻譜分析儀。盡管直流總線上有不同的CM模式電流測量方法，但是在本文的情況下，是不太可能打開DC總線，與線路阻抗穩(wěn)壓網(wǎng)絡(luò)相連的。 　　三個逆變器的測量設(shè)置都是相同的。使用兩根線夾緊直流總線，以防止直流夾具的飽和，并測量高頻共模（CM）電流。在打開或者關(guān)閉逆變器開關(guān)的情況下，進行了直流總線測量。這樣做是為了檢查逆變器是否會引起CM電流。CM電流環(huán)路是由實際的安裝所產(chǎn)生的，因此必須在原位進行測量。 　　第一次測量于01月31日，星期五，協(xié)調(diào)時間08:00在荷蘭斯哈亨進行。 　　有一位業(yè)余無線電操作員投訴在接受其它業(yè)余無線電時本底噪音及干擾都增加了。 　　圖3所示的光伏安裝，使用了大約30米的直流電纜，這個電纜的作用就像是完美的HF（高頻）調(diào)諧天線帶。在一年多以前就測量過直流和交流電網(wǎng)連接的發(fā)射，以診斷該安裝中的干擾問題。圖2中顯示的是當時測量的一個快照。我們努力想要找出業(yè)務(wù)無線電操作員所投訴的干擾源。我們將電纜剪短了幾米，以減少無用“天線”（直流電纜）的有效性。這么做極大地降低了干擾，但是依然還不夠。 　　圖4：SMAsunnyboy（紅色）和Soladin600（藍色1） 　　四、直流總線傳導發(fā)射對高頻帶的干擾 　　我們進行了直流電纜的發(fā)射測量。業(yè)余無線電操作員利用兩個不同的逆變器，兩個來自SMA（類型：SunnyBoy）、一個來自Mastervolt（類型：Soladin600），如圖4所示。就在日出之后就馬上進行了測量，因為當時傳送到電網(wǎng)的功率相當?shù)?。兩個逆變器的結(jié)果如圖5和圖6所示。 　　最高達到5MHz時，來自SMA逆變器的發(fā)射比來自Soladin逆變器的發(fā)射要低為10-20dB。在5MHz以上時，來自SMA逆變器的發(fā)射與來自Soladin逆變器的發(fā)射為同一個數(shù)量級。對于此范圍內(nèi)的一些頻率來說，例如，10MHz和50MHz，來自Soladin的發(fā)射明顯更高一些。當收聽10MHz業(yè)余無線電頻段時，噪音發(fā)散相當?shù)么?，SMASunnyboy的噪音幾乎要小10-20dB。 　　在另一個位置我們也測量了另外一個Soladin600。測量是在一個陽光明媚的早晨進行的，輸送至電網(wǎng)的功率相比較之前有所增加。該逆變器安裝在一個移動的架子上，向著太陽，如圖7所示。圖8顯示的是測量結(jié)果圖，單位為dBμV。直流電纜的長度為2米。與該早晨之前的第一次測量相比，在直流電纜上更高頻率發(fā)射噪聲確實有所增加。 　　第三個測量的逆變器為安裝在普通家庭屋頂上的Omnik逆變器，帶12光伏太陽能板，如圖9所示。有兩根直流總線連接，因此每根總線上有6塊太陽能板。 　　Omnik逆變器安裝在閣樓上。閣樓中沒有住人，僅用于存儲設(shè)備和家具。因此，來自其他電網(wǎng)連接設(shè)備的任何背景干擾只是來自當?shù)氐碾娋W(wǎng)。 　　如圖10所示，在該逆變器的底部為兩根用于連接直流總線的黑色/紅色電纜，一根為230V交流電纜（淺灰色），以及一根WIFI天線。 　　直流電纜的長度未知。其頻譜測量如圖11所示，大約比Soladin600要低10-20dB。 　　五、符合標準聲明對比 　　在符合性聲明中列出了其測試所采用的標準。發(fā)射標準列在表1中 　　表I：發(fā)射標準清單 　　按照通用發(fā)射標準EC61000-6-3和IEC61000-6-4，對SMASunnyBoy和Omnik 逆變器進行了測試。因此，也對直流總線進行了測試。然而，Soladin600是按照IEC61000-3-2和IEC55022標準進行測試的。 　　IEC61000-3-2是針對電網(wǎng)上的諧波失真，針對額定電流最高為16A的設(shè)備。IEC61000-3-12是針對電網(wǎng)上的諧波失真，針對額定電流為16-75A的設(shè)備。IEC61000-3-11是針對電壓波動與電壓變化。符合性聲明的對比表明Soladin600和SMASunny Boy是按照EN55022（CISPR22）進行測試的。這是信息技術(shù)（IT）設(shè)備的產(chǎn)品標準，SMA逆變器中含有一個wifi適配器CISPR22。在IEC 61000-6-3中描述了直流電源總線的范圍。 　　在該標準中說到“3.5電源端口：電源端口指的是攜帶有設(shè)備運行（功能）或者與有關(guān)設(shè)備所需基本電源的導體或者電纜連接到該設(shè)備的端口”。該標準的下文中還說到：“3.8直流電源網(wǎng)絡(luò)：在某個地方或者建筑物基礎(chǔ)設(shè)施中，某臺或者多臺不同類型設(shè)備能夠靈活使用，能夠保證與公共電網(wǎng)相獨立的持續(xù)電源供應(yīng)的局部電源供應(yīng)網(wǎng)絡(luò)”。因此，光伏安裝的直流總線并不是本標準范圍內(nèi)的直流總線。 　　六、第6條的誤用 　　所有歐洲市場上的設(shè)備都應(yīng)滿足EMC指令的要求。一種常見的方法就是遵守第6條的規(guī)定，在第6條中說到當采用協(xié)調(diào)標準時，就會提出符合性的假設(shè)。這些協(xié)調(diào)標準是用于測試設(shè)備的。如果設(shè)備通過了這些測試，那么制造商就假定符合了EMC指令的規(guī)定，如指令2004/108/EC第6條中所說的一樣[6]。 　　設(shè)備的制造商可以選擇適用的協(xié)調(diào)標準。由于在逆變器中集成了以太網(wǎng)端口，因此Soladin逆變器的制造商就會說這是一臺帶有某些特殊特點的電腦。對于IT設(shè)備，并沒有關(guān)于來自直流總線傳導發(fā)射方面的限制。如果讀者們看一下另外兩份符合性聲明，那么你就會發(fā)現(xiàn)并沒有提及直流總線方面的任何標準。 　　SMA和Omnik使用的是來自61000-6系列的通用標準來測試其設(shè)備以及直流側(cè)。Soladin600僅測試交流側(cè)（230V），這是因為標準IEC55022中并沒有提到直流總線。這在光伏逆變器上可以使用的標準來說應(yīng)特別注意，因為測量結(jié)果表明業(yè)余無線電操作員會受到嚴重的干擾。這可以作為向那些違反EMC指令基本要求的光伏逆變器提起法院訴訟非常好的證據(jù)。但是誰會提起訴訟呢？ 　　七、結(jié)論 　　在國際協(xié)調(diào)標準中并沒有描述光伏安裝的直流總線發(fā)射。因此，制造商可以隨心所欲地根據(jù)其預算制造設(shè)備。即使是設(shè)備安裝了以太網(wǎng)端口，不適用通用標準，那么制造商們依然可以說這是一臺具有特殊功能的電腦。制造商們會尋求“創(chuàng)新”方法來讓他們的產(chǎn)品上市，而不顧及無線電波普用戶的權(quán)利。其電流可以引起高輻射干擾。實際上，供應(yīng)商們違反了歐洲EMC指令的基本要求。由于受到國家當局的預算限制，光伏逆變器供應(yīng)商可以繼續(xù)進行其違法活動。