光伏逆变器辐射噪声诊断与抑制方法

摘要：针对光伏逆变器线上辐射噪声问题，根据其辐射噪声产生机理，提出了一种新型诊断方法，该方法利用高频电流探头和共模噪声提取网络组成传导共模噪声提取网络，用于提取光伏逆变器上位于辐射频段的共模噪声电流。根据辐射噪声与共模噪声电流的关系，即可较为快速地诊断光伏逆变器中由传导共模噪声电流所引起的线上辐射噪声，并可采取相应的措施对该类型噪声进行抑制。利用所提出的分析方法，针对某型号3 kW逆变器进行实验，提取分析其传导共模噪声电流，根据分析结果设计相应滤波器对其共模噪声进行抑制。测试抑制前后逆变器辐射噪声可发现，利用所提出的分析方法可有效抑制逆变器辐射噪声。
关键词：逆变器；电磁干扰；噪声分离

1 引言
在逆变器中，需要用到大量的电力电子器件以实现电能转换，而在这些电力电子器件开关过程中，会产生大量的EMI噪声，其中频率较低的噪声以噪声电流的形式在电路中传输，通常将此类噪声称为传导EMI噪声，而频率较高的噪声不仅在电路中进行传输，而且还将通过电力线辐射到空间场中，形成辐射EMI噪声。
目前，对于光伏逆变器电力线辐射EMI的研究都未应用于辐射噪声频段，其测量值是噪声电压信号，未将其转化为电流信号。此处提出了一种利用高频电流探头及噪声分离网络所组成的辐射噪声快速诊断系统，利用该系统提取光伏逆变器在辐射频段中的传导共模噪声电流，根据共模噪声电流与辐射噪声之间的关系预估逆变器的辐射噪声，并设计相应滤波器以抑制辐射噪声。

2 光伏逆变器共模噪声产生机理
2．1 传导EMI噪声机理分析
对于传导噪声电流，根据电磁兼容理论，可将其分为差模传导噪声电流与共模传导噪声电流。前者产生在火线与中线上，后者是火线与地线及零线与地线上的电流噪声之和，即：
IDM=IL-IN，ICM=(IL+IN)／2 (1)
式中：IL，IN为线路中火线-地线、中线-地线上的噪声电流。
以所测量的基于PWM控制光伏逆变器为例来说明共模噪声电流在电力线上传输机理，其拓扑结构如图1所示。该电路由逆变桥(V1～V4)、滤波电容Cin，Co、滤波电感Lo及控制电路组成。光伏组件接收太阳能并将其转化为直流电，通过Cin整流稳压后，进入逆变桥，PWM控制电路产生相应的驱动电路控制逆变桥的开关管使直流电逆变为所需要的交流电，通过由Lo及Co组成的L型滤波器给负载供电或进行并网。
在该电路中，由于控制波形的上升时间较短，这里所采用驱动电路控制波形上升时间为8 ns，其噪声频带可达39 MHz。该噪声通过开关管及由散热器与地线之间产生的耦合电容Cs，形成ICM，从而产生共模噪声。
2．2 电力线辐射噪声与共模电流的关系
根据图1中所示的共模电流流向可知，由于参考地面的阻抗小于安全地线的电感阻抗，所以共模电流通过火线与零线后，最终流向参考地面，这种共模电流的流向是导致辐射EMI的主要原因。相对于共模电流而言，差模电流由于在火线与零线之间传播，其对于辐射噪声的影响可忽略。

共模电流沿传输线向自由空间发射出辐射场，场强的计算公式为：

式中：Z0为自由空间波阻抗；l为导2线长度；I为电流；r为测试距离；β0=2π／λ，λ为相关频率信号波长。
随着频率的增加，导线的物理长度将与波长的几何尺寸可比，则沿导线上的电流分布不再均匀一致。为此可将导线均匀分成n个小段，采用射频电流探头在每小段的中间位置测量其各自电流，设分别为，I1，I2，…，In，如图2所示。

将测试所得各小段辐射电磁场大小换算至标准开阔实验场中，考虑地面的反射效应，即可得到等效辐射场结果如式(3)所示：

式中：|Ec|为辐射电场；l为每小段等效天线长度；f为测试频率；r为开阔实验场标准测试距离；H为测试天线高度；F为计算开阔实验场测试环境下的修正因子。

3 共模噪声提取
3．1 噪声分离网络
由线路直接测量所得到是共模和差模信号的混合信号，无法直接检测共模和差模信号的具体分量，所以要采用噪声分离网络将共模信号与差模信号分离出来。利用文献所采用的分离网络(即Mardiguain分离网络)对噪声信号进行分离，其电路结构如图3a所示。

该分离网络由一个2：1射频变压器构成，将UL-G和UN-G噪声信号输入到射频变压器初级输入端，其共模噪声可由该射频变压器初级中心抽头分离输出，差模噪声由次级分离输出。
判断共模噪声分离网络性能优劣的主要指标是其共模插入损耗(CMIL)及差模抑制比(DMRR)，两者表达式为：

式中：UCM为共模输入；Uoc为共模输出；UDM为差模输入。
在共模分离网络中，CMIL的理想值应为零，以保证在共模噪声传输中，其共模噪声信号的损耗较小；同理可知，其DMRR应尽可能大，以保证其差模噪声不会耦合到共模噪声信号的传输中，所以DMRR的理想值应为-∞。
对于该网络的共模部分进行性能测试，可得其CMIL和DMRR的测试结果如图3b所示。可见，该分离网络的CMIL约为-2 dB，其DMRR约为-40 dB，符合CISPR规定值。
3．2 高频电流探头
高频电流探头工作原理是通过电感间的互感作用，将信号源中高频信号电流注入到测试电路中或将电路中传输的高频噪声电流耦合到测试设备中，其结构如图4a所示，其中L1，L2为高频电流探头初、次级自感，M为互感。图4b示出电流探头阻抗波形。由于电流探头测试频段较高，可弥补高频阶段人工电源网络性能不足所导致的测试精度下降的问题。