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如何减少光伏系统中的电磁干扰

光伏和其他任何具有EMI(电磁干扰)或RFI(射频干扰)直流供电系统一样,会干扰附近的无线电、电视、手机以及其他电子设备。对于许多人来说,这可能很难理解,但想想手机可能干扰一些电子设备就知道了。

光伏系统的干扰对于工商业和住宅尤为重要,比如来自逆变器的干扰就是工商业及户用光伏的一个问题,会直接影响到工厂生产设备安全和家用电器的使用。

本文主要介绍如何减少光伏系统的电磁干扰。请注意,我们可以减少..但不能消除干扰。

什么是EMI和RFI?

首先需要科普一下,什么是EMI和RFI。RFI是辐射的干扰或噪声-本质上是无线电波。EMI包括RFI,但也包括非辐射干扰,例如来自电源线或控制线的线噪声。EMI和RFI相似,有相同的起因和解决方案,由于处理方法基本相同,本文专门讨论EMI电磁干扰。

EMI可能来自许多来源。家中或汽车中几乎所有的东西都会散发出一些EMI,包括荧光灯、电视、无绳电话、手机、电动工具、自动点火装置等。在光伏直流系统中的开关电源、控制器、、逆变器(尤其是修正的正弦波类型)都会产生EMI。如今,有数十种数字设备正用在光伏系统中,数字设备(尤其是电源电路)比模拟设备(AC)产生更多的EMI。

电器电磁干扰标准

光伏系统和一些直流电源设备的主要问题之一是,几乎所有设备都不符合家用电器电磁干扰标准,如电磁干扰(EMI)执行标准GB17625.1-2012(电磁兼容、限值、谐波电流、发射限值)、GB 17625.2-2007、GB 4343.2-2018(家用电器、电动工具和类似器具的电磁兼容要求)、美国FCC第15条B标准等。

我们通常在家中使用的电器和电子设备都必须符合电磁干扰执行标准的规定。因此尽管这些设备EMI很强,如电视的EMI辐射最大,但我们并不会从微波炉、冰箱、电视等运行中听到很多噪音。

但是几乎所有的直流电源设备和太阳能系统都不受家用电器电磁辐射条款的限制,因此这些直流电源可以释放更多的EMI,并且仍然合法。

噪声的主要来源

任何数字电子设备都会产生至少一些噪声,而现在光伏系统中使用的几乎所有设备都是数字设备。

最常出现问题的设备类型是充电控制器、直流电灯和某些改进的正弦波逆变器。几乎所有的充电控制器都会向电池发送脉冲,而不是稳定的电压/电流。高功率数字脉冲是最糟糕的EMI来源之一。

为了获得最高的效率,当今的逆变器电源电路都是在极短的时间内从关断过渡到导通,几秒钟之内甚至是几纳秒。在逆变器内部,甚至“正弦”波模型在各个点也使用方波,因为固态设备完全关闭时或以强烈的“饱和”模式打开时,其能量损失最少,这意味着以最小的电阻将其打开到最大可能的水平。从关闭到打开的过渡通常是一步完成,从零到最大,然后再返回。

微处理器时钟也以这种方式工作,处理器内的信号以及任何相关的通信电路也是如此。

方波是正弦波加上原始正弦波频率的所有奇次谐波(奇整数倍)的合成。为了创建100 kHz方波,我们从100 kHz正弦波开始,然后将300 kHz,500 kHz,700 kHz等正弦波相加,直到许多Mhz区域。添加的谐波数量惊人。

结果,这些谐波辐射到AM广播频段内……甚至更远。更糟糕的是,逆变器中的电路不是“线性”的,也就是说,它们没有忠实地复制放入其中的精确波形。这是有目的的,但有副作用。这种非线性将电路变成“混合器”。当非线性电路被馈入大量信号时,它们将信号的所有各种组合相加和相减,以产生另外的频率..

射频干扰(“ RFI”)源自逆变器的许多不同方面。如果逆变器是基于储能的,则逆变器的“前端”将非常迅速地打开和关闭数百安培的电流。为了处理数百安培电流,逆变器的输入电阻(“阻抗”)必须非常低,约为几毫欧。

连接到光伏阵列的串式逆变器以相同的原理运行,但电流和电压均比基于储能的同类产品低。

逆变器交流输出电路也是如此。交流输出更容易解决,因为电流远低于直流输入(仅基于电池的系统)。相反,逆变器连接到房屋中的交流电路,将房屋布线的每一英寸变成辐射干扰的天线。

如何摆脱EMI

减少电子噪声的最常见方法包括:

1.屏蔽层

2.消除

3.滤波

4.抑制

屏蔽层:几乎任何金属都会提供一些屏蔽。顾名思义,屏蔽层基本上可以阻挡噪音。金属外壳通常用于逆变器和某些其他设备。但是金属导管也将充当屏蔽。屏蔽是有效的,但并非万能的,并且对于光伏系统中的外接线缆携带的任何噪声也无济于事。

消除:消除可能不是最好的处理办法,但很简单,并且在某些情况下非常有效。只是简单地利用双绞线原理,双绞线中的噪声往往会在每次扭绞时抵消掉。它并非在所有情况下都有效,但它是如此简单、便宜且通常易于执行,因此通常是首选的尝试方法。

一些屏蔽双绞线电缆-主要用于诸如分流信号线,该类型电缆对于保持电线内的噪声非常有效。但是较大尺寸的屏蔽双绞线可能很难找到,而且非常贵。

滤波:自从电子设备发明以来,滤波技术就已经存在。最常见的方法是在信号线或接地线上使用电容器以消除噪声。有时也会使用电感器,但是它们具有一定的频率限制,并且也可能变得非常庞大和昂贵。

使用电容器滤波的一个限制是,通常必须在电容器的一侧附近有一个良好的接地。如果要滤波的物体与地面之间有很长的引线,那可能会使问题变得更糟。

RFI滤波器在分压器的基础上工作,对干扰构成了非常高的阻抗(将其阻止),但对必须流通的DC却构成了非常低的阻抗,从而最大程度地减小了DC的损耗。由于涉及高电流,这是一个非常困难的挑战。

抑制:该技术相对较新,通常也是最有效的。最常见的方法是使用铁氧体扼流圈、磁芯和磁珠。铁氧体是将金属粉末铸造成各种形状和尺寸,实际上是模制陶瓷的一种,通常由粉末状氧化铁(Fe2O3)以及锌、铜、锌和其他金属氧化物制成。频谱滤波后的EMI部分在铁氧体磁芯内转换为热量并消散。

一些卡扣式电抗器,可以将其简单地打开并卡在电线或电缆周围。如果遇到严重问题,可以堆叠任意数量或不同类型的堆叠类型。将卡扣式电抗器卡在一对或一束电线上,如果电线很粗则需要每根电线一根-,它们的工作效果也一样好。卡扣式电抗器是非导电的,因此几乎可以在任何地方使用,包括在电源线以及电池或逆变器电缆上。。

减少逆变器干扰源

随着工商业和户用光伏越来越普及,人们必须重视光伏系统电磁干扰,主要从逆变器干扰源着手。

第一步是尝试确定大部分干扰源。直流引线?交流线?变频器外壳?以上全部?每一个都有其自己降低RFI的可能步骤。

检查逆变器是否有电磁干扰,最简单的就是准备一个带有信号强度指示器的电池供电短波收音机,确保能接收AM广播频段。

减少逆变器电磁干扰的基本规则包括:

1)尽可能缩短从光伏组件到逆变器的直流引线。

2)如果可能,将直流引线绞在一起;或者请使其尽可能靠近。目的是使每根引线的RFI磁能相互抵消。

正如前面指出的那样,将每个DC支路插入金属导管,然后将导管接地,可能会有所帮助,越短越好。导管不接地只会将导管变成另一个天线。RFI接地与接地“保护”接地分开。如果使用交流“地线”,必须保持接地避免它也将成为天线,并且与具有高导电性的接地电极导体之间的连接良好。尽管很难同时实现这三个目标,但是可以在某些位置完成。

有人建议在直流引线之间连接一个“滤波电容器”。尽管这不会造成伤害,但鉴于逆变器输入电路的阻抗非常低,因此不太可能有效。

3)铁氧体磁芯可能会滑过每条电缆,并放置在电缆从逆变器引出的位置。环形磁芯或类似磁芯可能会有帮助,可能需要许多磁芯,并且需要从逆变器开始至少延伸一米左右,越多越好。

请勿将它们安装在电池末端。安装在电池端,并在逆变器上露出一些电缆,会使逆变器上裸露的导体充当天线。

根据使用频率的不同选择合适的铁氧体类型。铁氧体有各种配方,某些铁氧体适合100-500 Mhz的频率,不能很好地阻止干扰AM无线电的RFI。对于AM无线电RFI,请选择额定工作频率为250 kHz至2 Mhz或更高的铁氧体。

4)也可以使用AC EMI / RFI滤波器,并且可以将其安装在逆变器的AC输出电路上。

5)按照制造商的说明将变频器外壳接地。如今,所有逆变器都必须满足一定级别的干扰标准。如果逆变器正确接地,则可以改善内部RFI滤波电路的作用。

6)在整个逆变器周围构建一个屏蔽,然后将屏蔽本身连接到地面。该屏蔽不应与逆变器外壳接触,否则不能达到屏蔽的目的。

当然最好的办法是使逆变器及其所有连线尽可能远离无线电及家用电器。

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