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光伏逆變器電磁干擾分析測試
來源:國家無線電監測中心哈爾濱監測站   作者:陳 巖,梁 驍,孫鵬飛   添加時間:2018-11-26 10:32
本文旨在通過對太陽能發電場的實地電磁噪聲測試,了解分析光伏逆變器工作中的電磁干擾情況,為實際工程中涉及到的相關電磁干擾問題提供參考依據
  1 引言
 
  本文將以某太陽能發電場光伏并網逆變器的實測無線電噪聲數據為依據,通過逆變器系統開機和關機狀態下監測到的頻譜變化,對比分析光伏逆變器工作時對周邊電磁環境干擾情況。
 
  2 測試方法
 
  2.1 測試方案
 
  經相關資料查詢,逆變器作為一種開關電源式供電設備噪聲源,其頻譜形式為單載波,并且通常只能在噪聲源附近且電磁環境相對“干凈”的條件下才能檢測到。結合ITU-R SM.1753-2建議書中提供的無線電噪聲測量方式和實際測量條件,本測試將通過采集測試現場關注頻率上的均方根電平,以數據比對的方式直觀地反映在逆變器工作和關機狀態下電磁頻譜的變化,以及不同距離下逆變器電磁干擾影響的減弱情況。
 
  2.2 測試系統
 
  本次測試所采用的設備如表1所示,現場搭建的測試系統框圖如圖1所示。針對逆變器開、關機兩種工作場景,由測試天線接收的現場無線電噪聲信號,被采集到PR100接收機,并通過網線將數據傳入筆記本電腦,經專業軟件處理后獲得不同工況下的數據樣本以供對比分析。此外,對于重點關注的測試頻段,再利用便攜式頻譜儀進行頻段掃描,對可監測的信號做Marker標記記錄其電平值,以供進一步的數據量化驗證。
 
  
表1 測試設備表
 
  
圖1 電磁環境數據采集框圖
 
  2.3 逆變器參數
 
  
表2 光伏并網逆變器技術指標
 
  本次測試的太陽能發電場所采用的逆變器型號為北京能高自動化技術有限公司的SunVert7.2KSO,其具體參數參見表2。現場測試的逆變器組由6臺上述同型號逆變器組成。
 
  2.4 測試步驟
 
  根據測試方案,為獲得光伏逆變器在關機和開機兩種工況下的電磁環境數據以及隨著距離增加逆變器電磁干擾的衰弱變化。測試主要包括3個步驟:
 
  ⑴逆變器關機狀態下,在近場利用PR10 0對短波段9kHz至30MHz和超短波段30MHz至3000MHz采集噪聲數據樣本;同時,利用N9344C對相同頻段做逐段掃描,對測到的信號和噪聲基底Marker電平值。
 
  ⑵相同地點,逆變器開機狀態下,重復步驟⑴的操作,采集逆變器電磁干擾存在條件下的噪聲數據樣本,并與關機時采集的數據進行對比,直觀反映逆變器工作時對周邊電磁環境的干擾影響。
 
  ⑶利用GPS定位儀,選取不同距離采集逆變器開機工作時的電磁噪聲數據,與近場采集的數據進行比對,分析觀察逆變器電磁干擾隨距離增加的衰弱情況。
 
  針對短波和超短波頻段的信號帶寬差別較大,綜合考慮掃描時間和信號分辨率因素,頻段掃描參數設置時的分辨率帶寬(RBW)也相應不同,具體如表3所示。
 
  
表3 設備參數設置
 
  注:測試時,單獨對超短波不同業務頻段的掃描步長會根據相應業務頻段信號帶寬有所調整,如廣播業務頻段的掃描步長可設為120kHz等。
 
  3 測試結果分析
 
  3.1 逆變器開、關機狀態下的頻譜對比
 
  測試現場的逆變器組位于室內,鑒于其電磁干擾特點,同時也為了獲得更好的對比效果,測試點首先選擇在了室內的逆變器組旁邊(符合開關電源式供電設備噪聲源檢測條件)。在開、關機兩種狀態下采集到的噪聲數據樣本如圖2所示(這里以9kHz至5MHz為例),可以看出相對于關機狀態,開機狀態下由于逆變器產生的電磁干擾將整個掃描頻段的噪聲基底平均提高了約25dB,甚至一些關機狀態下采集到的“大”信號也被淹沒在噪聲中。可見,逆變器工作時確實會對周邊電磁環境產生影響。此外,對于5-30MHz頻段在測試中也做了相同對比,其影響情況基本一致,開機狀態下的頻譜噪聲基底均明顯高于關機狀態,平均高出的幅度大約在15-20dB之間。據此可以確定:近場條件下,光伏逆變器工作時將對短波頻段(3-30MHz)產生較大干擾。因而,對于會涉及短波類業務場景的太陽能發電場工程實踐,應充分考慮這部分電磁干擾影響,從而采取有效抑制措施。
 
  
圖2 9kHz-5MHz逆變器開、關機狀態下頻譜數據對比
 
  3.2 干擾隨距離的衰減
 
  為了進一步分析由逆變器產生的電磁干擾隨距離增加而衰減的情況。測試中除了進行近場數據采集外,還以逆變器組位置為參照由近及遠在室外選取了另外三個開場測試地點,距離逆變器組的大致距離分別為30米、120米、220米。以5-10MHz頻段為例,如圖3所示,是逆變器組開機狀態下近場與相距30米情況下的頻譜數據對比。由圖可見,相較于近場條件,距逆變器組30米處測試點的噪聲基底有明顯下降,平均下降幅度約10dB,一些被淹沒的毛刺信號可以在頻譜圖上監測到。短波頻率其他頻段采集數據從現場測試情況看結果也基本相同,都較近場條件有明顯降低,降低幅度在10-20dB之間。
 
  
圖3 逆變器開機狀態下近場與距離30m情況下頻譜數據對比
 
  對120米和220米兩處測試點,其數據采集樣本對比如圖4、5所示(同樣以5-10MHz頻段為例,其他短波頻段情況類似)。從圖中可以發現在120米和220米的情況下頻譜數據的噪聲基底與30米逆變器關機狀態采集的數據基本一致,也就是說在這樣的距離影響下,逆變器干擾已基本衰減可忽略不計(此時頻譜譜線的差異主要由于開場環境下引入的其他外部噪聲所致)。
 
  
圖4 距離120m(逆變器開機)與30m(關機)情況下頻譜數據對比
 
  
圖5 距離220m(逆變器開機)與30m(關機)情況下頻譜數據對比
 
  
圖6 頻譜儀數據電平記錄
 
  根據頻譜儀在逆變器開機狀態下針對不同距離記錄的標記頻點電平參見表4。從列表中每一行的數據可以很直觀地看到隨著距離增加,被測頻點的電平值在降低,尤其是從近場到距離30米處的降幅較大,同時120米和220米處的變化則不明顯且存在一定擾動(應為外部干擾引入所致)。對列表中抽樣的各頻點基本符合這一變化趨勢。
 
  
表4 頻譜儀數據記錄表(逆變器開機) 電平值單位:dBuv
 
  注:≥10dB-↓↓,<10dB-↓(對比左側數據),標紅數據為奇異點(剔除)。
 
  本次測試,除重點關注3-30MHz短波頻段受干擾情況外,也對超短波頻段進行了頻譜數據樣本的采集,如圖7所示(以距離逆變器組30m處測試點為例,采集開、關機狀態下的頻譜數據)。由于逆變器自身工作機理及頻率原因,從兩種工況下頻譜數據對比圖中可以看出兩條噪聲包絡曲線基本吻合,也就是說,本次測試的天陽能發電場逆變器電磁干擾對于超短波頻段而言,并沒有像對短波段的影響一樣明顯,幾乎可以忽略。但這一規律應當不具有普適性,針對不同的太陽能發電場逆變器組,由于其用途和規格參數的差異,還有可能會對超短波段產生一定影響,因而對于實際的工程問題還應以現場測試結果為準。
 
  
圖7 逆變器開、關機狀態下25-1300MHz頻譜數據對比
 
  4 結束語
 
  本文以實測數據為基礎,重點分析了短波頻段受光伏逆變器電磁干擾的影響情況以及隨距離增加而逐漸衰減的規律。為實際工程中解決類似干擾排查和測試需求積累了一定的實踐經驗,同時參照干擾強弱隨距離的變化規律,也為涉及特定電磁環境要求的工作場景提供了具有參考性的保護距離測試方案。此外,本次測試未發現干擾對超短波頻段有明顯影響,但應與被測逆變器自身工作參數相關。因而,進一步研究光伏逆變器電磁輻射原理及不同用途、不同型號逆變器組的實測結果,對更全面掌握其電磁環境干擾規律很有必要,對太陽能發電場項目建設也具有現實參考價值。
 
  參考文獻
 
  [1] 頻譜監測手冊[M].國際電聯,2011.
 
  [2] ITU-R SM.1753-2建議書.國際電聯,2013.
 
  [3] 王浩.多電平光伏逆變器電磁兼容性及漏電流抑制研究[D].陜西科技大學,2016.

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