【自动化】家用光伏逆变器认证研究1

武汉理工大学毕业设计（论文）家用光伏逆变器认证研究学院（系）自动化学院专业班级电气1104班学生姓名雷李军指导教师黄亮学位论文原创性声明本人郑重声明所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包括任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。作者签名年月日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保障、使用学位论文的规定，同意学校保留并向有关学位论文管理部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权省级优秀学士论文评选机构将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。本学位论文属于1、保密囗，在年解密后适用本授权书2、不保密囗。（请在以上相应方框内打“”）作者签名年月日导师签名年月日摘要为了解决能源短缺问题，太阳能必将得到广泛使用，而逆变器作为太阳能光伏发电系统的核心配件将具有无可比拟的重要作用，研究家用光伏逆变器的认证也显得尤为重要。本文首先介绍了国内外逆变器的研究现状，也介绍了CQC及CE认证对光伏并网逆变器的要求，并着重介绍了两者EMC要求不同之处。其次，本文研究了光伏系统的直流注入问题，对其产生的原因、危害和抑制方法做了较为详细的说明。本文研究了光伏逆变器的孤岛效应的产生原因及危害，并对孤岛检测的原理做了详细的说明。最后着重对光伏逆变器进行了EMC设计，主要是滤波设计使其符合CQC及CE认证的要求，其中包括了直流侧滤波器、交流侧滤波器以及EMI滤波器，并对它们的基本原理、种类及优缺点等进行了说明。关键词认证光伏逆变器；滤波；直流注入；孤岛检测ABSTRACTINORDERTOSOLVETHEPROBLEMOFENERGYSHORTAGE,SOLARENERGYWILLBEWIDELYUSED,ANDTHEINVERTERASTHECOREOFTHESOLARPHOTOVOLTAICPOWERGENERATIONSYSTEMACCESSORIESWILLHAVEINCOMPARABLEIMPORTANTROLE,ANDTHERESEARCHOFHOUSEHOLDPHOTOVOLTAICINVERTERCERTIFICATIONALSOAPPEARSESPECIALLYIMPORTANTTHISARTICLEFIRSTINTRODUCESTHERESEARCHSTATUSOFINVERTER,THENINTRODUCESTHECQC,CECERTIFICATIONFORTHEREQUIREMENTSOFTHEPHOTOVOLTAICGRIDINVERTER,EVENEMPHATICALLYINTRODUCESTHEEMCREQUIREMENTSSECONDLY,THISPAPERSTUDIESTHEPHOTOVOLTAICSYSTEMOFDCINJECTIONPROBLEM,ANDMADEAMOREDETAILEDINSTRUCTIONSFORTHEREASONS,HARMASWELLASSUPPRESSIONMETHODITALSOSTUDIEDTHECAUSESANDHARMOFTHEISLANDEFFECTOFPHOTOVOLTAICINVERTER,ANDMADEDETAILEDINSTRUCTIONSTOTHEPRINCIPLEOFISLANDDETECTIONFINALLY,WEFOCUSONTHETWOWAYSWITCHPOWERSUPPLYFORTHEEMCDESIGN,MAINLYISTHEFILTERDESIGNMAKEITMEETTHEREQUIREMENTSOFTHECQCANDCECERTIFICATION,INCLUDINGTHEDCSIDEOFTHEFILTER,ACFILTERANDEMIFILTER,ANDTHEBASICPRINCIPLE,TYPESANDTHEIRADVANTAGESANDDISADVANTAGES,ETCKEYWORDSCERTIFICATIONPHOTOVOLTAICINVERTERWAVEFILTERINGDCINJECTIONISLANDDETECTION目录第1章绪论111背景和意义112国内外光伏逆变器的研究现状1121逆变器的分类1122逆变器的发展2123国内外逆变器认证的研究现状313本文的研究内容3第2章光伏逆变器的CQC及CE认证421认证的重要性422光伏逆变器的CQC认证4221对逆变器电性能的要求4223设备要求6224测试项目62241直流输入电压范围和过欠压测试62242并网电流谐波测试72243孤岛保护测试72244输入过载保护测试82245防反送电保护测试923光伏逆变器的CE认证9第3章直流注入检测与抑制1231直流注入产生的原因及其危害12311直流注入产生的原因12312直流注入的危害12313直流分量的检测标准13314直流分量的检测方法1332虚拟电容法抑制直流注入14第4章孤岛效应的检测与处理1941检测标准19411检测电路及方法194111对频率和电压保护功能的测试流程204112反孤岛能力测试流程2042孤岛效应的产生及其危害2143孤岛检测原理2244孤岛检测盲区2545孤岛效应检测方法25451被动式孤岛检测与保护264511过压、欠压和过频、欠频检测264512相位偏移检测法27452主动式孤岛检测与保护274521输出功率扰动法274522电压正反馈法284523主动移频式检测法294524主动移相式检测法33453电网侧反孤岛检测法35第5章光伏逆变器的EMC检测与处理3651并网逆变器谐波要求及测试方法36511谐波要求36512测试方法3652直流侧滤波器37521直流侧滤波器的分类和比较37522全桥逆变器型滤波器设计3853交流侧滤波器40531并网滤波器分类和比较41532SPWM逆变电路输出谐波分析41533LCL型滤波器的设计4254EMI滤波器46541电磁兼容46542电磁干扰47543参数设定485431插入损耗485432漏电流495433额定电压和额定电流50544EMI滤波器设计50545EMI滤波器参数的确定52546EMI滤波器仿真53参考文献56附录57致谢60第1章绪论能源问题是人类面临的最严峻的问题之一。随着人类不断的开釆，传统能源如化石能源均已趋于枯竭,新能源的开发和利用已迫在眉睫。太阳能作为一种清洁无污染、安全可靠、储量可观的绿色能源,具有非常重要的应用价值。随着人类对太阳能资源的愈发重视，太阳能发电技术得到了前所未有的快速发展，由此进一步促进了与其配套的光伏认证技术的发展。11背景和意义能源短缺将是人类本世纪面临的最大挑战之一。为了解决这个严重的问题，人们将目光投向了具有清洁和储能丰富等优点的可再生绿色能源1，但与常规能源相比，它具有成本高、能量不可控等缺点。随着化石能源的逐渐枯竭，可再生绿色能源将在以后的生产生活中扮演更重要的角色，而与其他可再生绿色能源相比，太阳能具有取之不尽、用之不竭的独特优势。据统计，到2035年全球能源消费将增加41，可再生能源特别是太阳能将在其中扮演更重要的角色，到2040年，太阳能将成为所有可再生能源之中对电力产业影响最大的能源。从当前发展状况看，与风电、水电相比太阳能光伏发电发展规模较小，但增长速度最快，发展前景可观。随着硅片加工技术的成熟和完善，制造成本的降低，光伏转换技术的不断进步，太阳能光伏发电正逐步完成从补充能源到替代能源的角色转换2。与诸如化石能源、核能、水力，风力等相对传统的能源相比，成本相对较高是光伏发电的劣势之一。过去，整个光伏并网系统的主要支出是太阳能模块的成本。现在随着光伏电池生产力的大幅提高，光伏组件的价格也日益降低。因此，并网逆变器作为光伏并网系统核心功率变换部件，其成本越来越受到人们的关注。正因为如此，人们正不断地寻求成本更低的、更具有创新意义及实用意义的逆变器设计方案。在现代逆变技术的强有力的技术及理论支持下，并网逆变器正朝着高效、高可靠性、高功率密度的方向发展。并网逆变器性能的不断优化对于系统效率的提高、可靠性的增强，乃至系统的寿命的延长、成本进一步降低显得至关重要。随着光伏逆变器市场的进一步扩大，光伏逆变器的认证显得尤为重要。12国内外光伏逆变器的研究现状121逆变器的分类通常,把将交流电变换成直流电的过程称为整流,把完成整流功能的电路称为整流电路,把实现整流过程的装置称为整流设备或整流器。与之相对应,把将直流电变换成交流电的过程称为逆变,把完成逆变功能的电路称为逆变电路,把实现逆变过程的装置称为逆变设备或逆变器3。光伏并网逆变器可以根据拓扑结构、隔离方式、输出相数、功率等级、功率流向等进行分类。按隔离方式光伏逆变器可分为4独立光伏系统逆变器仅应用于农村电气化、用户电源、光伏产品等太阳能户用电源系统，通信信号电源,阴极保护,太阳能路灯等带有蓄电池的独立发电系统。并网光伏系统逆变器并网发电系统是与电网相连并向电网输送电力的光伏发电系统。光伏组件将吸收的太阳福射能量转换后变成高压直流电,经过逆变器逆变后转换为交流电,再向电网输出同频、同相正弦交流电流。光伏并网逆变器发展至今,最为成熟的属于中等功率的并网逆变器,目前已经实现商业化批量生产,技术相对成熟,光伏并网逆变器未来的发展方向将是小功率微逆变器也即光伏模块集成逆变器和大功率并网逆变器两个方向并行。微逆变器在光伏建筑集成发电系统、城市居民发电系统、中小规模光伏电站有其独特的优势,大功率光伏并网逆变器在大规模光伏电站,如沙漠光伏电站等系统具有明显优势。其中，家用光伏逆变器以微逆变器为主。122逆变器的发展逆变器的发展始终与功率器件及其控制技术的发展紧密相关,其发展至今经历了五个阶段5。第一阶段20世纪5060年代,晶闸管SCR的诞生为正弦波逆变器的发展创造了条件第二阶段20世纪70年代,可关断晶闸管GTO及双极型晶体管BJT的问世,使得逆变技术得到发展和应用第三阶段20世纪80年代,功率场效应管、绝缘栅型晶体管、MOS控制晶闸管等功率器件的诞生为逆变器向大容量方向发展奠定了基础第四阶段20世纪90年代,微电子技术的发展使新近的控制技术如矢量控制技术、多电平变换技术、重复控制、模糊控制等技术在逆变领域得到了较好的应用,极大的促进了逆变器技术的发展第五阶段21世纪初,逆变技术的发展随着电力电子技术、微电子技术和现代控制理论的进步不断改进,逆变技术正朝着高频化、高效率、高功率密度、高可靠性、智能化的方向发展。123国内外逆变器认证的研究现状目前,新能源的使用契合了社会各界倡导的低碳节能的强烈要求。日本福岛核泄露事件,不仅引发了人们对核能安全的担忧，而且给整个光伏行业带来了重要的启示。在这样的背景下,发展新能源的重要性不言而喻，风能和太阳能作为最主要的新能源,未来必将有极大的突破,从而推动逆变器的快速发展，这也必将进一步促进了逆变器认证技术的发展和完善。过去的几年,随着西班牙、德国、美国、日本等发达国家对本国光伏产业的扶持政策的实行,全球光伏逆变器的销售额正逐年增加,光伏逆变器进入了一个前所未有的快速发展阶段。但是，目前全球的光伏逆变器市场基本被几大国际巨头瓜分,欧洲作为全球光伏产业的先驱,已经具备了较为完善的光伏产业链,它的光伏逆变器的相关技术处于世界领先水平。同时，欧洲也是全球光伏产品认证最为完善的地区之一。国内的光伏逆变器市场规模相对较小,但生产逆变器的厂商众多,然而专门用于光伏发电系统的逆变器制造商并不多。此外，由于不少的国内企业对逆变器已经研究了多年,因此己经具备了相应的规模和实力,但其逆变器在技术质量、规模上与国外企业仍具有较大差距。正因为如此，我国光伏逆变器的认证技术与国外也有不小的差距，但我国光伏并网逆变器认证采用的标准水平与国际水平相当，但是我国的光伏逆变器标准体系并不健全，光伏逆变器产品认证缺少相应的技术依据，这不仅影响了我国光伏并网逆变器产品质量的评价和技术的提升，而且不利于我国光伏并网逆变器行业的健康发展。目前，我国已经建立了比较完善的光伏逆变器认证标准体系，其中很多的标准已经与国际接轨，但是标准重复、相近甚至冲突的现象屡见不鲜，因此在标准体系及规划上还需进一步完善。同时，我国光伏逆变器测试和认证体系远落后与国际先进水平，并且没有得到国际市场的认可。13本文的研究内容首先对光伏逆变器的CQC及CE认证做了较为详细的阐述，详细介绍了它的认证流程以及需要检测的项目，并对CQC和CE认证对光伏逆变器的EMC要求做了较为详细的阐述和比较说明，同时对两者的差异也做了简述。其次对光伏发电系统的直流注入问题产生的原因、危害、解决方法都做了较为详细的说明，也对光伏逆变器的孤岛效应的产生、危害、检测原理、检测盲区以及检测方法等做了较为详细的说明。最后对6KW功率48VDC/220VAC双向转换电源进行CQC及CE认证研究，并且分别查找到了CQC认证及CE认证的标准文件，并对现有的48VDC/220VAC光伏逆变器进行EMC设计，主要是滤波设计，包括直流侧、交流侧及EMI滤波器，使产品基本符合CQC及CE标准认证要求。第2章光伏逆变器的CQC及CE认证认证作为光伏逆变器进入市场的第一道防线，具有不可比例的重要性。CQC和CE认证作为世界上最主要的两种认证，在认证行业有着举足轻重的影响力，本章将着重介绍光伏逆变器的CQC及CE认证。21认证的重要性中国光伏产业发展很迅速，已成为继欧洲和日本之后的世界第三大光伏产品生产国。中国政府对光伏发电的发展也非常重视，近几年，国家发改委实施了“光明工程”、“送电到乡”等工程项目，各级地方政府也陆续启动了光伏照明项目用以支持我国光伏产品的推广。与此同时，偏远地区的消费者也逐步认可了光伏产品，越来越多的居民开始使用家用太阳能电源等产品。可以说，在各方的努力和支持下，中国的光伏应用市场发展的极为迅速。但是，在光伏产业快速发展的背后，劣质光伏产品的肆意横行成为行业发展的重大隐患。随处可见许多不具备条件的光伏企业借此机会，在消费者尚不具备辨别产品优劣的情况下，依靠虚假宣传、低廉的价格，用劣质的光伏组件与正规的生产企业竞争，严重破坏了市场秩序，损害了消费者的利益，光伏行业的形象也因此遭受了严重的打击，长此以往，必将影响整个行业的健康发展。与国内形成鲜明对比的是，国外的光伏认证体系现已经发展成熟，认证结果被广泛的采纳，我国的光伏企业生产的产品销售到国外首先需要获得相应的认证资质，否则产品将很难被客户接受。这样，不仅加重了我国企业的经济负担，而且还可能因为认证的周期过长的原因，使企业错失商机，严重影响未来发展。因此，建立一套适合我国国情的、科学合理的光伏产品认证体系，同时适时采用国外相对成熟的认证体系，对规范市场和保证太阳能光伏产业健康有序的发展，打破国际技术性贸易壁垒，将起到至关重要的作用6。22光伏逆变器的CQC认证光伏并网逆变器的认证模式为产品型式试验初次工厂检查获证后监督。认证的基本环节包括认证的申请、产品型式试验、初始工厂检查、认证结果评价和批准以及获证后的监督。221对逆变器电性能的要求CNCA/CTS00042009A并网光伏发电专用逆变器认证技术条件对逆变器的电性能规定如下1转换效率无变压器型逆变器最大转换效率应不低于96，含变压器型逆变器最大转换效率应不低于94。2并网电流谐波输出电压波形畸变率及各次谐波满足国标GB/T145491993电能质量公用电网谐波的要求逆变器额定功率运行时，注入电网的电流谐波总畸变率限值为5。3功率因数当逆变器输出有功功率大于其额定功率的50时，功率因数不小于098超前或滞后输出有功功率在2050时，功率因数不小于095超前或滞后。4电网电压响应逆变器对异常电压的反应时间应满足表21的要求，在电网电压恢复到允许的电压范围时逆变器应能正常启动运行。表21逆变器对异常电压的反应电压U交流电压输出端允许最大跳闸时间/SU05U正常0105U正常U085U正20常U085U正常继续运行VU11U正常继续运行11U正常U135U正常20135U正常U0055电网频率响应电网频率在额定频率变化时，逆变器的工作状态应满足表22的要求表22电网频率响应频率/HZ逆变器响应48逆变器02S停止运行48495逆变器运行10MIIN后停止运行495502逆变器正常运行502505逆变器运行2MIN后停止运行，此时处于停运状态的逆变器不得并网505逆变器运行02S内停止运行，此时处于停运状态的逆变器不得并网6电压不平衡度输出电压三相不平衡度满足国标GB/T155432008电能质量三相电压允许不平衡度的要求。7直流分量并网运行时，光伏逆变器向电网馈送的直流电流不应大于逆变器输出电流额定值的05。8防孤岛效应逆变器应具有孤岛防护功能，并在电网失压时能在规定的时间内与电网断开。223设备要求进行光伏并网逆变器认证时，需要有一定的设备条件。为满足标准规定的测试项目要求，测试机构需具备专业的仪器设备，如电能质量分析仪、模拟交流电网、防孤岛效应检测设备、低电压穿越检测设备、接触电流测试仪、绝缘电阻测试仪、直流稳压电源、高低温交变湿热试验箱、温升测试设备等。根据相关标准要求，逆变器的制造单位最好也具备以上测试仪器，以便能随时了解样机的性能指标。检测机构也可以利用逆变器制造单位的测试仪器对样机进行现场测试或目击测试等7。224测试项目CQC认证的测试项目主要包括基本性能测试、故障模拟测试、可靠性测试以及EMC测试等8。2241直流输入电压范围和过欠压测试规格书规定了逆变器工作的DC输入电压范围（X，Y）,Y为最高的开口电压，X为最低输入工作电压；如果规格书规定了输入电压Z，当电压低于Z，逆变器将无法满功率馈网，即输出功率降额使用（即使PV能够提供大于逆变器的电能），则应测试出相应转换电压点是否符合规格要求；对规格书另有规定的如待机，关机电压点也需要测试符合规格书要求。输入电压的上限调节ACSOURCE使逆变器并网的电压和频率正常，缓慢调节DCSOURCE使输出的直流电压慢高于Y，逆变器应从正常工作切换到保护停止输出，记录该转换电压点，此时逆变器直流空开会脱扣，需手动恢复。满功率馈网的电压调节ACSOURCE使逆变器并网的电压和频率正常，且设定DCSOURCE的输出容量略大于逆变器的额定容量；当DC电压大于Z，逆变器正常并网以后，缓慢调低DCSOURCE的电压，直至逆变器无法满功率馈网供电，记录改电压；再缓慢调高DCSOURCE的电压，直至逆变器恢复满功率馈网供电，记录该电压，计算回差。逆变器工作电压下限和回差调节ACSOURCE使逆变器并网的电压和频率正常，且设定DCSOURCE的输出容量略大于逆变器的额定容量，逆变器正常并网以后，缓慢调低DCSOURCE的电压，直至母线电压异常，无法正常逆变工作，记录该电压A；再调高DCSOURCE的电压，直至母线电压正常建立，逆变器馈网可以正常工作，记录该电压B；记录该回差，并且在电压A和B之间，不能出现逆变器的频繁启动和关闭的情况。2242并网电流谐波测试并网电流谐波测试主要是测试逆变器的电流谐波是否满足规格书及行规要求。逆变器在运行时不应造成电网电压波形过度畸变和注入电网过度的谐波电流，以确保对连接到电网的其他设备不造成不利影响。逆变器带载（线性负载）运行时，电流谐波总畸变率限值为5，奇次谐波电流含有率限值见表23，偶次谐波电流含有率限值见表24。表23奇次谐波电流含有率限值奇次谐波次数含有率限值（）3RD9TH4011TH15TH2017TH21ST1523RD33RD0635TH以上03表24偶次谐波电流含有率限值偶次谐波次数含有率限值（）2ND10TH1012TH16TH0518TH22ND037524TH34TH01536TH以上0075根据标准应选用ACSOURCE，并调节DCSOURCE的输出功率，或直接控制逆变器的输出功率，使并网逆变器输出功率在30、50、70、100，让逆变器在输出电流完全馈网的情况下，测量输出电流谐波。2243孤岛保护测试孤岛保护测试测试逆变器的孤岛保护时间和告警信息时间是否满足规格及行标要求。逆变器具有防孤岛效应保护功能，在配载完成后，当逆变器与并入的电网断开时，逆变器应在2S内停止向电网供电，同时发出警示信号。直流电源逆变器电网数字示波器（1通道）孤岛检测设备ACLT3830H数字示波器（2通道）功率分析仪WT3000UVWNK1K2图21防孤岛接线图图21所示为防孤岛效应保护实验平台接线示意图，K1为被测逆变器的网侧分离开关，K2为被测逆变器的负载分离开关。负载采用可变RLC谐振电路，谐振频率为被测逆变器工作的额定工作频率（50HZ），且其消耗的有功功率与被测逆变器输出的有功功率相当，并能通过LC谐振补偿逆变器及电网的无功功率。2244输入过载保护测试输入过载保护测试是测试逆变器在输入过载时，逆变器的输出功率、输出电流、持续工作时间、逻辑保护动作和告警信息是否满足规格及行标要求。当光伏方阵输出的功率超过逆变器允许的最大直流输入功率时，逆变器应自动限流工作在允许的最大交流输出功率处，在持续工作7小时或温度超过允许值的任何一种情况下，逆变器应停止向电网供电。恢复正常后，逆变器应能正常工作。直接采用逆变器软件限流的方法是选用DCSOURCE的容量需大于逆变器的额定容量，且输出功率可以调节；同时设置DCSOURCE的容量小于等于逆变器的额定容量，逆变器正常并网工作以后，缓慢调高DCSOURCE的输出功率，当DCSOURCE的输出功率大于逆变器的最大输出功率时，观察逆变器是否限流，记录输出功率、输出电流、逻辑保护动作和告警信息；持续上述的工况，观察逆变器是否能够工作超过7小时，记录持续工作时间；如果逆变器发生过温保护，则记录持续工作时间、逻辑保护动作和告警信息。若逆变器在输入过载时，逆变器的输出功率、输出电流、持续工作时间、逻辑保护动作和告警信息满足规格及行标要求，则在逆变器通过了测试，若逆变器在输入过载时，逆变器的输出功率、输出电流、持续工作时间、逻辑保护动作和告警信息不满足规格及行标要求，则逆变器不能通过测试。同时测试中任何失效的发生都应该以文档的形式记录在问题追踪程序中。2245防反送电保护测试防反送电保护测试是测试逆变器的反向电流是否满足规格书及行标要求。当逆变器直流侧电压低于允许工作范围或逆变器处于关机状态时，逆变器直流侧应无反向电流流过。当电网ACSOURCE电压和频率正常，并网逆变器正常工作时调节DCSOURCE的电压，使之电压瞬间降低至允许工作范围以下，记录直流侧的反向电流，同时正常手动关闭逆变器，记录直流侧的反向电流；调节ACSOURCE的电压，使之超出逆变器的工作范围，则逆变器停止工作，记录直流侧的反向电流；调节ACSOURCE的频率，使之超出逆变器的工作范围，则逆变器停止工作，记录直流侧的反向电流。逆变器的反向电流满足规格书及行标要求，则表示在逆变器通过了测试。若逆变器的反向电流不满足规格书及行标要求，则表示该逆变器没有通过测试。测试中任何失效的发生都应该以文档的形式记录在问题追踪程序中。23光伏逆变器的CE认证为了争取顺利进入德国和意大利等欧盟主要光伏市场，国内光伏产品制造商必须通过欧盟的CE认证。光伏产品所涉及的新方法指令主要有低电压指令和电磁兼容指令，需依据OJEU协调标准进行测试以证明其符合相关指令要求，并取得CE认证。低电压电气指令覆盖了所有标称供电交流电压为501000V和所有标称直流电压为751500V的电气产品，其目标是确保电气设备综合安全、设计和结构安全以及信息安全。协调标准是由欧洲标准化组织所制定并在欧盟官方公告上公布的欧洲标准，是欧洲标准中具有法律效力的技术规范，但又保持着自愿采用的地位。电磁兼容指令包含了电磁干扰EMI和抗干扰EMS两方面。鉴于目前欧盟对于光伏产品并没有颁布相应的电磁兼容专有标准，而只能采用通用标准。光伏逆变器的CE认证的测试项目与CQC认证的测试项目基本相同两者只在EMC要求上有些细微的差别。因为CQC认证中采用的是专用标准，而欧盟CE认证则采用通用标准。由于CE认证的协调标准体系并未纳入专门针对并网光伏逆变器设备的标准，因此，与CQC认证相比，其EMC要求的针对性相对较弱。两者对EMC要求的主要差别如下1）CQC认证未对交流电源端口和直流电源端口测试单独进行区分，而CE认证区分交流电源端口和直流电源端口；2）CQC认证对谐波及闪烁发射测试项目不作要求，而CE认证对此则有明确要求；3）CQC认证对电压跌落及中断抗扰度测试项目有明确要求，而CE认证对此则不作要求；由于逆变器设备是直流输入、交流输出，即输出端一般要连接到公用电网上，这一点与传统的交流供电设备是不同的，可能是基于这一点考虑，CQC认证未对电压跌落及中断抗扰度测试项目测试提出要求，而CE认证采用的是通用标准，因此对此项目有测试要求；4）CQC认证对信号端口的传导发射测试项目不作要求，而CE认证中对此则有明确要求；5）CQC认证对用于工业环境的逆变器浪涌抗扰度测试项目不作要求，而CE认证对此则有明确要求；6）CQC认证中对电压波动抗扰度测试项目有明确要求，而CE认证对此则不作要求；7）CQC认证中对阻尼震荡波抗扰度测试项目有明确要求，而CE认证对此则不作要求。CE认证流程如图22所示。图22CE认证流程图第3章直流注入检测与抑制限制光伏发电系统并入大电网时直流电流的含量是光伏并网的重要需求。国内外相关标准对光伏并网电流中直流分量的大小均有所规定。随着非隔离型光伏并网逆变系统的推广，目前直流注入问题日益受到重视11。31直流注入产生的原因及其危害早期的光伏并网逆变系统在逆变器输出与电网之间安装有工频变压器，能够实现电压匹配和电气隔离。采用这种结构，主电路和控制电路较简单，直流侧电压较低。但是工频变压器体积大，系统成本高，整机效率低。非隔离型并网逆变系统与工频隔离型并网逆变系统相比，其经济效益和技术上具有一定优势，日益受到人们的关注，并广泛应用于小功率场合，去掉变压器虽然提高了并网系统的整机效率，但是光伏阵列和电网之间存在电气连接，带来直流注入问题12。311直流注入产生的原因光伏并网中的直流注入属于并网电能质量问题，引起逆变器输出中含有直流分量的原因有以下几点1逆变桥中开关元件动作不一致引起直流注入。动作不一致可归因于开关器件元件参数的差异使其阻抗等特性不完全相同，造成充放电时间有一定差异，器件的开通时间和关断时间不相等；脉宽调制中脉冲宽度不平衡；门极驱动信号可能不匹配等。2电流环测量元件偏移误差导致直流分量的产生，包括模数转换元件和电流传感器等测量元件，尤其是霍尔传感器的零点漂移现象会增大偏移误差。偏移误差导致正弦电流正负半周不对称，引发直流注入问题。3参考电流中可能存在的直流分量会引起电流控制器误差，导致逆变器输出电流中有直流分量。并网逆变器是连接光伏阵列和电网的关键部件，由于上述原因其输出中存在直流电流，若不采取适当措施，该直流电流注入电网，引起直流注入问题。312直流注入的危害由于注入电网的直流电流所带来的不利影响，电网公司不允许并网逆变器输出中含有较大直流电流。这些不利影响可归纳为以下几点1扰乱配电变压器正常运行。直流量使变压器工作点改变，可能导致变压器饱和，引起波形失真，损耗过大，设备过热以及缩短设备寿命等问题。对变压器的危害是直流注入产生的主要不利影响。2致使电网中变压器初级电流峰值过高，威胁电流保护设备的安全。过高的电流使输入保险烧毁，引起电网中某些区域断电，带来一定损失。3直流电流会加剧金属的腐蚀程度，导致接地导线电蚀。4给电网中其他负载带来不利影响。例如可能使与电网相连的交流发电机产生脉动转矩或者发热等。5除上述影响外，直流注入还会引起测量误差，甚至可能增加谐波含量等。313直流分量的检测标准若不采取抑制措施，光伏并网逆变器输出中的直流电流会长时间注入电网，必然引起电网中大量存在的配电变压器出现直流偏磁现象，带来上述不利影响，因此，近年来光伏并网中的直流注入问题日益受到重视。美国、日本、英国及中国等国家制定了光伏并网系统直流注入的相关标准，如表31所列。IEEE和IEC也严格限制了并网系统输入电网的直流电流分量，IEEE规定直流分量小于输出电流的O5，IEC规定为10。表31各国对光伏并网系统中直流分量的规定国家变压器隔离系统中的最大直流电流不带变压器隔离系统中允许的最大直流电流美国变压器额定输出电流的05变压器额定输出电流的05日本变压器额定输出电流的1变压器额定输出电流的1英国5MA德国1000MA澳大利亚5MA5MA中国逆变器交流额定值的1逆变器交流额定值的1314直流分量的检测方法国家并网逆变器测试规范指出测试逆变器在并网运行时向电网馈送的直流电流分量应不超过其输出电流额定值的05或5MA，应取二者中较大值。检测方法为在逆变器输出电流完全馈网的情况下，测量输出电流的直流分量；三相输出时，每一项的直流分量均应符合要求。若逆变器在并网运行时向电网馈送的直流电流分量不超过其输出电流额定值的05或5MA取二者中较大值，则说明该逆变器符合要求。反之，则不符合。32虚拟电容法抑制直流注入电容具有一定的隔直作用，能够很好的抑制直流侧的直流分量注入交流电网中，但是为了适应大的基波压降，隔直电容都是选取容值较大的电容，这样势必会增加并网系统的建设成本。另一方面，在实际应用中，电容都不是理想型的，电容中会掺杂着许多的渣滓，这些杂散参数会影响并网系统的逆变效率，而且，如果电容一经损坏击穿就会引起电路短路，这将会造成严重后果。因此这里采用一种虚拟电容的控制方法，采用虚拟电容控制法，不但可以抑制直流分量，也可以实现隔直电容无差损耗，不影响系统的整机效率。为了抑制并网电流直流分量，在逆变器输出端串联交流电容，图31中虚线框内的电容C是一个虚拟电容，它在实际电路中是不存在的，这个虚拟电容在此处所起到的隔离直流电流的作用是通过控制策略来实现的。图31带有虚拟电容的并网逆变器由电路输出端可得31）112TIRDTICDTILTUGGGG式中，是并网逆变器输出的斩波电压，是电网电压，是输出电网电流，L是串联U12电感的等效电感，C是虚拟电容，R为等效电阻。对式31进行拉普拉斯变换可得（32）112SIRISCISLUSGGGG化简上式，可得到电网电压为（33122SURSSIGG据式（33）可知在频率0处，电网电流，这也就表明逆变器输出电0JIG（流中不含频率为零的直流电流，所以这种控制策略能有有效地抑制直流分量。并网逆变器的交流侧是与电网直流相连的，逆变器的开关管通常工作在高频导通与关断的切换状态，而电网的工作频率我们知道是50HZ。这样开关管的工作频率通常远远高于并网电流的频率，因此逆变器的控制模型可以简化为线性化的大信号模型，如图32所示。GSKREFI12UG1LSRCGI图32带有虚拟电容的逆变器线性化模型由现代控制理论知识可知方框图中各个单元的前后移动不影响传递函数的变化可知，将图32中的电网电流反馈至控制器GS之后，如图33所示，可以实现电容的GI隔直作用，电网电流的传递函数不发生变化。I图33带有虚拟电容的逆变器线性化简模型根据图46所示的控制模型，可得电流的传递函数GI（34）221GREFGGSKCCSSSIIULLGKR由式（34）可知，交流侧的电流通常受到参考电流和电网电压这两个因GIREFI素的影响。直流分量主要就来自参考电流中的直流分量以及电网电压中的直流分REFG量。因此，为了消除或者抑制直流分量，使交流侧输出电流不出现稳态误差，系统安全可靠运行，通常也从这两个变量入手来设计系统的控制策略。根据叠加原理，可以将式（34）分开讨论，分析电网电压和参考电流对并网逆变器直流分量的影响。并网电流和参考电流之间的关系可表示为GIREFI（35）21GRFSGSKCLRI对式（35）进行频域内的幅频特性和相频特性进行仿真分析，如图34所示其中纵轴M代表幅值，P代表相位，横轴为频率。图34的频域特性SIREFG由图34可以看出加入电容后在基波频率处，闭环控制系统的幅频特性为零，也0就是直流分量经过闭环控制系统后衰减为零，抑制了直流分量流入电网；不加电容的控制系统，它的幅频特性在基波频率处不为零，则直流分量经过控制系统后输出的电流中也会出现一定的直流分量，这样电网电流就渗入了直流分量。并网电流和电网电压之间的关系可以表示为GIGU（36）21SCSILGKR对式（36）进行频域内的幅频特性和相频特性进行仿真分析，如图35所示，其中纵轴M代表幅值，P代表相位，横轴为频率。图35的频域特性GSIU同样由图35可以看出的频域特性，含有虚拟电容的控制系统，在基波GI频率处直流分量衰减为零；不含虚拟电容的控制系统会有相应的直流分量注入电网。0根据上面的分析，电容值越大，电容上的基波压降就会越大，其抑制直流分量的能力就越强，但是如果电容值选取过大，则系统的动态性能就不稳定，为了选取合适的电容，下面研究电容的大小对系统的性能的影响。对公式（35）和公式（36）分别进行阶跃响应分析，如图36（A）和36（B），可以看出随着虚拟电容容值的增大，系统的动态响应越来越慢。因此考虑到电容的基波压降和系统的动态响应可以选择电容的容值为1000F左右。AB图36和的阶跃响应SIREFGGSIU分析公式（34）可知，输出电网电流中产生的直流分量是由参考电流和电网电REFI压所引起的，因此根据这两个因素所产生的影响，来设计合适的电流调节器。传统的GUPI控制器虽然控制算法简单，能够改善系统的性能，但是它的控制精度不高，不能有效的抑制直流分量，而且具有一定的交流量静差。这里采用一种改进的控制策略，控制框图如图37所示。图37带有虚拟电容的改进型控制模型根据图37得到并网电流的传递函数为IG（37）12SIRCSKLCSREFPG一般串联电阻值很小，对整个系统基本上没有影响，可忽略不计，则上式可化简为（38）12SISIREFPG（由式（38）可知，电网电压对输出电流的扰动影响已经完全消除，而当UGIG时，此时闭环控制系统的幅频特性为1，实现了并网电流的12CKLIIREFG稳定，基本上消除了直流偏置。第4章孤岛效应的检测与处理所谓孤岛效应，是指电网因故障而意外突然断开后，逆变器未能在规定时间内正确检测出电网当前状态而仍持续工作，以致电网输电线路的某一部分可能仍处于带电状态，这样并网逆变器与负载形成一个独立的自给供电系统13。随着并网逆变器在发电系统中的广泛采用，孤岛效应的发生几率也不断增加，而其造成的危险已不容忽视。因此，能及时准确检测出孤岛效应显得非常重要。41检测标准孤岛检测主要是以检测频率变化和电压的变化为主。我国的光伏系统并网技术要求规定光伏系统并网后的频率允许偏差值为正负05HZ，一旦超过，则应在02S内动作，即与电网断开。电压异常见下表。同时还规定，在电网的电压和频率恢复到正常范围后的20S5MIN，光伏系统不应向电网送电。北美标准至少延迟5MIN，德国标准延迟20S。表41电压异常下的响应公共点电压额定电压百分比最大分闸时间V135005S411检测电路及方法测试电路主要由电网、RLC负载和并网逆变器以及电网隔离开关组成。检测点在电网隔离开关和负载开关之间。其中在选择RLC参数时牵涉到电路品质因数Q值的选取问题，因为高Q值使电路有朝着并保持于谐振频率处工作的趋势。在使用频率扰动反孤岛检测时，Q值越高，频率漂移的困难越大。普遍认为选取Q25符合电网的实际情况。下图为基于逆变器的孤岛效应RLC型测试电路图，当电网隔离开关断开时，发电系统处于孤岛状态。C并网逆变器LR测试点S1S2图41检测通用电路4111对频率和电压保护功能的测试流程基于如图41所示的测试电路，IEEESTD9292000中给出了对频率和电压保护功能的测试流程。1将并网逆变器输出连接到一个模拟的电网环境中，该电网环境可以吸收逆变器发出的能量频率和电压限制测试中不需要逆变器处于满负荷运行状态；2调整模拟电网的电压幅值和频率，验证并网逆变器正常情况下具有输出有功功率的功能；3升高或降低模拟电网的电压幅值，逐一验证需求表中给出的电压波动情况下的响应时间；4以不超过05HZS的速率升高或降低模拟电网的频率，验证不同国家的不同孤岛检测需求给出的频率波动情况下的响应时间；5在与模拟电网断开后，储存当前并网逆变器的输出频率和电压，并验证A对逆变器进行手动复位不改变其与模拟电网的断开状态；B具有自动复位功能的逆变器能保持其与模拟电网的断开状态，直到电网的频率和电压恢复正常5分钟后。以上步骤重复10遍，全部顺利通过的才认为通过该项测试。4112反孤岛能力测试流程通过了频率和电压保护功能测试，就可以对并网逆变器进行反孤岛能力的测试。为了测试的方便，电网电压和频率不需要可调，而是设定成固定值。负载品质因数设为25。该测试方法同样适用于具有无功补偿功能的光伏并网系统。测试流程为1）确定并网逆变器输出有功功率P；2将并网逆变器输出功率运行在输出有功为P的状态，并测量逆变器输出无功Q；3断开S2，关闭并网逆变器；4调整RLC负载电路参数使品质因数Q25；5依次连通S1和S2，保证并网逆变器输出有功为步骤1中设定值；6断开S2，开始测试；7每次测试完，对可调参数进行1的调整，调整的范围不超过5，可调参数包括电感L和电容C。每次调整后重新进行测试并记录测试结果，如果任何一次测试中孤岛状态检测时间超过2S，则认为该项测试失败。该项测试要根据下表所示的功率设置重复4次，其中百分比值都以并网逆变器的额定输出有功作为基值。表42反孤岛测试有功设定负载有功逆变器输出有功2525505010010012510042孤岛效应的产生及其危害如图42所示，光伏并网发电系统主要由PV太阳能板、并网逆变器以及负载组成，当电网跳脱，开关仍处于闭合状态时，逆变器若持续工作，则系统处于孤岛状态。PVPVPV本地负载配电网负载输电网配电网光伏并网发电系统图42光伏发电系统简图孤岛效应的产生可能是由于市电电网由于故障停止供电，并网逆变器却仍通过断路器向电网传输电能，导致逆变器的输出容量远小于供电电网系统的容量，且这种状态可能持续很长时间；开关意外断开，逆变器却未能成功检测，导致逆变器同周围负载一起形成一个自给供电的系统即为孤岛。孤岛一旦发生，可能对整个配电系统设备及各用户端设备造成不同程度的损坏，甚至存在一系列的安全事故，并且可能会带来事故纠纷。事故纠纷主要有设备损坏以及人身安全伤害。设备损坏产生的原因主要是电网供电中断后突然恢复供电时，由于孤岛运行的局部电网相位（频率）与主电网失步，导致在与主电网再次连接时将产生很大的浪涌电流，相关设备将因此而受到严重的损坏。孤岛一旦发生，电网将失去对电压和频率的控制，这可能造成用户用电设备的损坏。人身安全伤害的产生主要是由于电网因某种故障停止工作时，若此时逆变器仍持续不断地工作，则输电线路某一部分可能仍处于带电状态，这可能会威胁到电网工作人员的生命安全。43孤岛检测原理光伏并网发电系统如图43所示，主要由光伏并网逆变器、负载、并网断路开关和电网四部分组成。其中，本地负载用并联RLC电路等效替代。并联逆变器RLCINVJQPLOADLOADK1A电网GRIDGRIDQP图43光伏并网发电系统等效示意图逆变器输出的有功功率为PINV、无功功率为QINV；电网向负载提供的有功功率为PGRID、无功功率为QGRID；负载所需消耗的有功功率为PLOAD、无功功率分别为。QLOAD同时假设并网逆变器按单位功率因数输出，即电网频率与RLC负载的谐振频率相等；RLC负载的品质因数负载消耗的无功功率与有功功率的比值，即LCRF；同逆变器输出功率完全匹配的负载参数为R、L、C，不匹配的负载为RR、LL、CC。当并网断路器闭合，光伏系统并网正常工作时，PVINVA2（41）（42）QFLI2VAFNVC（43）L21（44）一旦电网由于出现故障或掉电而停止工作时，此时，RLC负载新的谐振频率F为21CF（45）由公式（44）、（45）可得（46）121CLLCF光伏并网逆变器出现过频（OFR）和欠频（UFR）时的频率值分别为、FMIN，即FAX为继电器在相应时刻的动作值。如果负载功率与逆变器输出功率的不匹配并且满足以下不等式时，频率的变化没有超出继电器的正常工作范围，则继电器不动作。（47）FCLFMAXMIN1若忽略C，即令C0，则MAX2MIN2FF（48）即11MIN2MAX2FCLFX（49）由无功功率公式21WCLVQ得1112QLFFC（410）根据F的定义，即PCLF,则上式可简化为QF（411）即LCLPFFFINV111（412）令，则0C11MAX2MININ2FQPFQFF（413）同上，通过推导，能得到电压和有功功率的关系式，当电网正常工作时，逆变器输出功率为RV2孤岛发生时，负载功率为RV2，假设逆变器的输出功率不变，则RVRV22（414）可简化为VR2（415）正常工作时，电网提供给负载的功率为RPGRID（416）则负载有功功率不匹配度为（417）12RVRPINVGRD将公式415代入上式中可得（418）12VINVGRD光伏逆变器过压、欠压时的电压值分别为、，即此时继电器的动作值。如果MAXIN电网由于某种原因停止工作时，负载的不匹配度满足不等式（419），即电压的变化没超过继电器的正常工作范围，则继电器不动作。（419）11MIN2MAX2VPVINVGRD）由以上可知，电压变化同有功功率匹配度有关，而频率变化与无功功率的匹配度有关。当逆变器输出功率与RLC负载功率需求相差很大时，以致RLC负载的端电压、频率值超出相应的继电器的正常工作范围，则继电器将动作，致使光伏并网逆变器与电网断开，停止工作。反之，若逆变器输出功率与RLC负载功率需求相差较小时，并满足不等式413和419，即RLC负载电压、频率的变化在继电器的正常工作范围内，则继电器将失效，逆变器仍持续工作，孤岛检测失败，系统进入孤岛检测盲区。44孤岛检测盲区检测区盲区是指存在某一区域，在此区域中某种孤岛检测方法不能检测出孤岛效应的发生。因此，检测盲区可以被用来衡量一种孤岛检测方法的好坏，孤岛检测方法的盲区越小，则此方法的可取性越高。由42节分析可知，电网断电前后光伏并网逆变器输出功率的变化决定了电网停止工作后逆变器输出电压和频率的变化。若负载条件或控制方式不同，则在相同的工作范围内，所需要的逆变器输出功率和负载功率的不匹配程度是不同的，即光伏逆变器的孤岛检测盲区不相同。UVPUFQOFOVNDZ图44防止孤岛效应非检测区图示检测盲区通常用如图44所示的功率失配区间P、Q包围的区域来表示。图中的P、Q分别为市电电网向RLC负载提供的有功功率和无功功率，阴影部分为孤岛检测盲区，OF、UF、OV、UV分别表示过频、欠频、过压和欠压区。在非检测区域内，若所处位置非常接近PQ0，则