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光伏逆变器电磁干扰分析测试

国家无线电监测中心哈尔滨监测站 | 陈 岩,梁 骁,孙鹏飞,冯宝山

  摘要:本文旨在通过对太阳能发电场的实地电磁噪声测试,了解分析光伏逆变器工作中的电磁干扰情况,为实际工程中涉及到的相关电磁干扰问题提供参考依据。

  关键词:太阳能;光伏逆变器;电磁干扰

  1 引言

  本文将以某太阳能发电场光伏并网逆变器的实测无线电噪声数据为依据,通过逆变器系统开机和关机状态下监测到的频谱变化,对比分析光伏逆变器工作时对周边电磁环境干扰情况。

  2 测试方法

  2.1 测试方案

  经相关资料查询,逆变器作为一种开关电源式供电设备噪声源,其频谱形式为单载波,并且通常只能在噪声源附近且电磁环境相对“干净”的条件下才能检测到。结合ITU-R SM.1753-2建议书中提供的无线电噪声测量方式和实际测量条件,本测试将通过采集测试现场关注频率上的均方根电平,以数据比对的方式直观地反映在逆变器工作和关机状态下电磁频谱的变化,以及不同距离下逆变器电磁干扰影响的减弱情况。

  2.2 测试系统

  本次测试所采用的设备如表1所示,现场搭建的测试系统框图如图1所示。针对逆变器开、关机两种工作场景,由测试天线接收的现场无线电噪声信号,被采集到PR100接收机,并通过网线将数据传入笔记本电脑,经专业软件处理后获得不同工况下的数据样本以供对比分析。此外,对于重点关注的测试频段,再利用便携式频谱仪进行频段扫描,对可监测的信号做Marker标记记录其电平值,以供进一步的数据量化验证。


表1 测试设备表

 


图1 电磁环境数据采集框图

 

  2.3 逆变器参数


表2 光伏并网逆变器技术指标

 

  本次测试的太阳能发电场所采用的逆变器型号为北京能高自动化技术有限公司的SunVert7.2KSO,其具体参数参见表2。现场测试的逆变器组由6台上述同型号逆变器组成。

  2.4 测试步骤

  根据测试方案,为获得光伏逆变器在关机和开机两种工况下的电磁环境数据以及随着距离增加逆变器电磁干扰的衰弱变化。测试主要包括3个步骤:

  ⑴逆变器关机状态下,在近场利用PR10 0对短波段9kHz至30MHz和超短波段30MHz至3000MHz采集噪声数据样本;同时,利用N9344C对相同频段做逐段扫描,对测到的信号和噪声基底Marker电平值。

  ⑵相同地点,逆变器开机状态下,重复步骤⑴的操作,采集逆变器电磁干扰存在条件下的噪声数据样本,并与关机时采集的数据进行对比,直观反映逆变器工作时对周边电磁环境的干扰影响。

  ⑶利用GPS定位仪,选取不同距离采集逆变器开机工作时的电磁噪声数据,与近场采集的数据进行比对,分析观察逆变器电磁干扰随距离增加的衰弱情况。

  针对短波和超短波频段的信号带宽差别较大,综合考虑扫描时间和信号分辨率因素,频段扫描参数设置时的分辨率带宽(RBW)也相应不同,具体如表3所示。


表3 设备参数设置

 

  注:测试时,单独对超短波不同业务频段的扫描步长会根据相应业务频段信号带宽有所调整,如广播业务频段的扫描步长可设为120kHz等。

  3 测试结果分析

  3.1 逆变器开、关机状态下的频谱对比

  测试现场的逆变器组位于室内,鉴于其电磁干扰特点,同时也为了获得更好的对比效果,测试点首先选择在了室内的逆变器组旁边(符合开关电源式供电设备噪声源检测条件)。在开、关机两种状态下采集到的噪声数据样本如图2所示(这里以9kHz至5MHz为例),可以看出相对于关机状态,开机状态下由于逆变器产生的电磁干扰将整个扫描频段的噪声基底平均提高了约25dB,甚至一些关机状态下采集到的“大”信号也被淹没在噪声中。可见,逆变器工作时确实会对周边电磁环境产生影响。此外,对于5-30MHz频段在测试中也做了相同对比,其影响情况基本一致,开机状态下的频谱噪声基底均明显高于关机状态,平均高出的幅度大约在15-20dB之间。据此可以确定:近场条件下,光伏逆变器工作时将对短波频段(3-30MHz)产生较大干扰。因而,对于会涉及短波类业务场景的太阳能发电场工程实践,应充分考虑这部分电磁干扰影响,从而采取有效抑制措施。


图2 9kHz-5MHz逆变器开、关机状态下频谱数据对比

 

  3.2 干扰随距离的衰减

  为了进一步分析由逆变器产生的电磁干扰随距离增加而衰减的情况。测试中除了进行近场数据采集外,还以逆变器组位置为参照由近及远在室外选取了另外三个开场测试地点,距离逆变器组的大致距离分别为30米、120米、220米。以5-10MHz频段为例,如图3所示,是逆变器组开机状态下近场与相距30米情况下的频谱数据对比。由图可见,相较于近场条件,距逆变器组30米处测试点的噪声基底有明显下降,平均下降幅度约10dB,一些被淹没的毛刺信号可以在频谱图上监测到。短波频率其他频段采集数据从现场测试情况看结果也基本相同,都较近场条件有明显降低,降低幅度在10-20dB之间。


图3 逆变器开机状态下近场与距离30m情况下频谱数据对比

 

  对120米和220米两处测试点,其数据采集样本对比如图4、5所示(同样以5-10MHz频段为例,其他短波频段情况类似)。从图中可以发现在120米和220米的情况下频谱数据的噪声基底与30米逆变器关机状态采集的数据基本一致,也就是说在这样的距离影响下,逆变器干扰已基本衰减可忽略不计(此时频谱谱线的差异主要由于开场环境下引入的其他外部噪声所致)。


图4 距离120m(逆变器开机)与30m(关机)情况下频谱数据对比

 


图5 距离220m(逆变器开机)与30m(关机)情况下频谱数据对比

 


图6 频谱仪数据电平记录

 

  根据频谱仪在逆变器开机状态下针对不同距离记录的标记频点电平参见表4。从列表中每一行的数据可以很直观地看到随着距离增加,被测频点的电平值在降低,尤其是从近场到距离30米处的降幅较大,同时120米和220米处的变化则不明显且存在一定扰动(应为外部干扰引入所致)。对列表中抽样的各频点基本符合这一变化趋势。


表4 频谱仪数据记录表(逆变器开机) 电平值单位:dBuv

 

  注:≥10dB-↓↓,<10dB-↓(对比左侧数据),标红数据为奇异点(剔除)。

  本次测试,除重点关注3-30MHz短波频段受干扰情况外,也对超短波频段进行了频谱数据样本的采集,如图7所示(以距离逆变器组30m处测试点为例,采集开、关机状态下的频谱数据)。由于逆变器自身工作机理及频率原因,从两种工况下频谱数据对比图中可以看出两条噪声包络曲线基本吻合,也就是说,本次测试的天阳能发电场逆变器电磁干扰对于超短波频段而言,并没有像对短波段的影响一样明显,几乎可以忽略。但这一规律应当不具有普适性,针对不同的太阳能发电场逆变器组,由于其用途和规格参数的差异,还有可能会对超短波段产生一定影响,因而对于实际的工程问题还应以现场测试结果为准。


图7 逆变器开、关机状态下25-1300MHz频谱数据对比

 

  4 结束语

  本文以实测数据为基础,重点分析了短波频段受光伏逆变器电磁干扰的影响情况以及随距离增加而逐渐衰减的规律。为实际工程中解决类似干扰排查和测试需求积累了一定的实践经验,同时参照干扰强弱随距离的变化规律,也为涉及特定电磁环境要求的工作场景提供了具有参考性的保护距离测试方案。此外,本次测试未发现干扰对超短波频段有明显影响,但应与被测逆变器自身工作参数相关。因而,进一步研究光伏逆变器电磁辐射原理及不同用途、不同型号逆变器组的实测结果,对更全面掌握其电磁环境干扰规律很有必要,对太阳能发电场项目建设也具有现实参考价值。

  参考文献

[1] 频谱监测手册[M].国际电联,2011.

[2] ITU-R SM.1753-2建议书.国际电联,2013.

[3] 王浩.多电平光伏逆变器电磁兼容性及漏电流抑制研究[D].陕西科技大学,2016.

 
 
 
 
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