光伏组件串列的双向共模差模EMI滤波器及其设计方法技术

本发明专利技术属于光伏组件串列EMI滤波器技术领域，尤其涉及一种光伏组件串列的双向共模差模EMI滤波器及其设计方法，包括：逆变器侧高通型阻抗匹配网络、光伏组件串列侧高通型阻抗匹配网络、尖峰脉冲干扰信号抑制电路、共模与差模基本型低通滤波电路、共模隔离与差模隔离网络组成。本发明专利技术通过将光伏组件串列、逆变器和电网负载进行等效电路建模，考虑逆变器开关管开关工作时序和光伏组件串列自身分布参数的影响，对该过程中存在的共模和差模电磁干扰信号进行分析，进而针对性的设计了X叉接网络滤波器，为光伏组件串列与逆变器间的电力线载波通信内电磁干扰号的滤除提供一种EMI滤波器设计和分析方法。

Bi-directional common mode differential mode EMI filter and its design method in tandem of photovoltaic modules

The invention belongs to the technical field of photovoltaic module serial EMI filter, especially relates to a common mode bidirectional PV module serial differential mode EMI filter and its design method, including: high side inverter type impedance matching network, PV module serial side type impedance matching network, high peak pulse interference suppression circuit, common mode and differential mode basic type low pass filter circuit, common mode and differential mode isolation isolation network. The invention of the equivalent circuit model of load series, PV inverter and grid, considering the influence of switch timing and PV Inverter with its tandem distribution parameters, the existence of common mode and differential mode interference signal is analyzed, and then designed the X crossover network filter for filtering the PV module and inverter power line carrier communication between the serial number in the electromagnetic interference provides a EMI filter design and analysis method.

【技术实现步骤摘要】
光伏组件串列的双向共模差模EMI滤波器及其设计方法
本专利技术属于光伏组件串列EMI滤波器
，尤其涉及一种光伏组件串列的双向共模差模EMI滤波器及其设计方法。
技术介绍
近年来，我国光伏发电产业步入快速发展阶段，光伏电站正向规模化和大型化发展，若干兆瓦级并网光伏电站相继在青海、甘肃、宁夏等地开工或运行。据国家能源局统计，截至2015年底，我国光伏发电装机达0.43亿kW，超过德国成为世界上光伏累计装机容量最大的国家。目前现有的光伏发电电站中光伏组件串列运行监控系统的通信方式多采用无线、RS485等结合光纤传输的传统方式，但由于大型光伏发电电站规模庞大，因此传统通信方式显得捉襟见肘。目前，一种利用电力线载波技术与无线、光纤等多种通信方式融合的手段传输光伏组件运行状态数据的监控系统已经在科研院所开展研究。然而，该融合的通信方法的一个技术难点在于，逆变器产生的电磁干扰包含共模、差模两种电磁干扰信号，将严重影响电力线载波通信信号的传输。目前电磁干扰(EMI)滤波器仅有逆变器内及交流开关电源的EMI滤波器。开关电源EMI滤波器是为了滤除开关电源的高频谐波而设计，用于提高电能质量，位置位于开关电源与负载阻抗之间。逆变器内的EMI滤波器是为满足电网侧35次以下谐波指标而设计，而逆变器的开关工作频率一般为10KHz到几十KHz，形成的电磁干扰信号也在这一频段范围内，这些干扰信号频率远高于电网侧35次以下谐波频率，因国际及国内对这一频段的电磁干扰抑制没有要求，所以逆变器生产厂家为节约成本大多不设这一频段的滤波器。这两种滤波器均仅滤除单干扰源的干扰信号，而在光伏组件阵列与逆变器间的直流侧均未设EMI滤波器。
技术实现思路
为了解决逆变器和光伏组件自身分布参数引起的电磁干扰，本专利技术提出了一种光伏组件串列的双向共模差模EMI滤波器，由逆变器侧高通型阻抗匹配网络、光伏组件串列侧高通型阻抗匹配网络、尖峰脉冲干扰信号抑制电路、共模差模基本π型低通滤波电路、共模隔离型X叉接网络以及差模隔离型X叉接网络组成。所述共模隔离型X叉接网络的抑制共模电流的方式为：由端口①进②出的共模尖峰电流，因流进电感L1中的电流不能突变，共模尖峰电流将经接到①端口的RC电路、O连线及接到②端口的RC电路流动；同时，由端口③进④出的共模尖峰电流也要流经O连线，这两者的电流在电路参数完全一样时，是大小相等、方向相反的，从而消除和抑制了共模尖峰电流。所述差模隔离型X叉接网络的抑制差模电流的方式为：二个RC电路和电感L2、L3刚好组成文式电桥，因电桥在平衡时对端衰耗为无穷大，因此当由端口①进③出的差模电流在电路参数完全一样时，在②、④端口的流出和流进的电流应为零。一种光伏组件串列的双向共模差模EMI滤波器设计方法，包括：步骤一：根据光伏组件串列/阵列、逆变器及电网的连接关系，建立在逆变器开关器件轮流通断时产生的噪声干扰信号等效电路；步骤二：对电网及负载、逆变器及组件阵列分别进行电路等效；步骤三：对逆变器差模\共模电磁干扰信号进行分析和测试；步骤四：对光伏组件串列电磁干扰信号进行分析和测试；步骤五：根据逆变器和光伏组件串列电磁干扰信号分析及测试结果来确定滤波器设计要求；步骤六：按照步骤五的设计要求将滤波器设计成由逆变器侧高通型阻抗匹配网络、光伏组件串列侧高通型阻抗匹配网络、尖峰脉冲干扰信号抑制电路、共模差模基本π型低通滤波电路、共模隔离型X叉接网络以及差模隔离型X叉接网络组成。所述电网及负载的等效电路包括：电网及负载侧的滤波电感和逆变器至电网间的输电导线寄生参数的等效电感L；负载、输电导线的等效负载电阻R。所述逆变器的等效电路包括：逆变器开关器件集电极和发射极的对地等效电容Cc1、Ce1和Cc2、Ce1，逆变器产生的共模电流干扰信号Irc，逆变器产生的差模电压干扰信号Urd，逆变器中的削减纹波干扰的电容C。所述组件阵列的等效电路包括：组件串列产生的共模电流干扰信号Ipc，组件串列产生的差模电流干扰信号Ipd，组件阵列的总的等效寄生结电容CjM，组件阵列总的等效寄生电感LiM，组件阵列两侧的对地等效电容Cp1和Cp2。所述滤波器设计要求包括：逆变器和光伏组件串列产生的电磁干扰信号的总衰减应达到80dB左右，使干扰信号的幅度低于80mV；逆变器和光伏组件串列间的滤波器避免使用接地；应能同时对共模干扰信号和差模干扰信号进行衰减和抑制；应采用低通型滤波器为基本形式；应考虑与逆变器和光伏组件串列的阻抗匹配；电感的直流特性：直流工作电流0-10A、最大20A，直流电阻小于1mΩ，电感的交流特性：工作频率F＝10KHz-20KHz，I≤3A或F＝25KHz-500KHz，I≤1A，电感交流耐压：600V，电感品质因数Q≥250。本专利技术的有益效果在于：旨在研究利用电力线载波通信方式传输光伏组件运行状态数据时，设计一种双向共模、差模EMI滤波器，以滤除由于并网时的逆变器及光伏组件的寄生参数引起的电磁干扰信号，实现数据的正常传输。附图说明图1为光伏组件串列/阵列、逆变器及电网的连接示意图。图2为非隔离型光伏电站含干扰源的简化等效电路。图3为具有隔离功能、能抑制双侧干扰信号的X型滤波器图。图4为尖峰电流和尖峰电压时序图。图5为共模差模基本型低通滤波器及阻抗匹配网络。图6为共模隔离型X叉接网络及其等效电路。图7为差模隔离型X叉接网络及其等效电路。图8为X型滤波器的仿真结果。具体实施方式下面结合附图，对实施例作详细说明。1、建立逆变器与组件阵列间的电磁干扰等效电路模型光伏组件串列/阵列、逆变器及电网的连接示意图如图1所示。在逆变器开关器件轮流通断时产生的噪声干扰信号等效电路，如图2所示。将图2分为电网及负载、逆变器及组件阵列分别进行电路等效。电网及负载等效电路如下：L是电网及负载侧的滤波电感、逆变器至电网间的输电导线寄生参数等的等效电感；R是负载、输电导线等的等效负载电阻。逆变器等效电路如下：Cc1、Ce1和Cc2、Ce1分别是逆变器开关器件集电极和发射极的对地等效电容，这两对等效电容是因逆变器开关管的集电极、发射极与金属散热片之间涂有很薄的导热硅脂绝缘层，且散热器与设备机壳用螺钉连接在一起并接大地，如此形成了开关管的集电极、发射极与散热器之间的等效对地电容。Irc是逆变器产生的共模电流干扰信号，Urd是逆变器产生的差模电压干扰信号。C是逆变器中的削减纹波干扰的电容。组件阵列等效电路如下：Ipc是组件串列产生的共模电流干扰信号，Ipd是组件串列产生的差模电流干扰信号。CjM是组件阵列的总的等效寄生结电容，LiM是组件阵列总的等效寄生电感。Cp1和Cp2是组件阵列两侧的对地等效电容。上述分析仅针对光伏并网发电系统采用非隔离型时，当光伏并网发电系统在逆变器与电网间采用隔离变压器时，由于变压器的隔离作用，共模电流干扰信号将不存在，但差模干扰信号还将存在，对载波信号仍然有严重的干扰，仍需对其进行滤波抑制。无论是隔离型逆变器还是非隔离型逆变器，逆变器的第一级都是DC/AC变换，逆变器产生的输出电压是一连串PWM脉冲电压(它的幅值是直流母线电压Vdc，脉冲宽度由每个开关周期输出电压的幅值决定)，这些脉冲由功率开关管(IGBT、MOSFET等)产生。在逆变器开关器件轮流导通期间，逆变器及电网对本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种光伏组件串列的双向共模差模EMI滤波器，其特征在于，由逆变器侧高通型阻抗匹配网络、光伏组件串列侧高通型阻抗匹配网络、尖峰脉冲干扰信号抑制电路、共模差模基本π型低通滤波电路、共模隔离型X叉接网络以及差模隔离型X叉接网络组成。

【技术特征摘要】
1.一种光伏组件串列的双向共模差模EMI滤波器，其特征在于，由逆变器侧高通型阻抗匹配网络、光伏组件串列侧高通型阻抗匹配网络、尖峰脉冲干扰信号抑制电路、共模差模基本π型低通滤波电路、共模隔离型X叉接网络以及差模隔离型X叉接网络组成。2.根据权利要求1所述滤波器，其特征在于，所述共模隔离型X叉接网络的抑制共模电流的方式为：由端口①进②出的共模尖峰电流，因流进电感L1中的电流不能突变，共模尖峰电流将经接到①端口的RC电路、O连线及接到②端口的RC电路流动；同时，由端口③进④出的共模尖峰电流也要流经O连线，这两者的电流在电路参数完全一样时，是大小相等、方向相反的，从而消除和抑制了共模尖峰电流。3.根据权利要求1所述滤波器，其特征在于，所述差模隔离型X叉接网络的抑制差模电流的方式为：二个RC电路和电感L2、L3刚好组成文式电桥，因电桥在平衡时对端衰耗为无穷大，因此当由端口①进③出的差模电流在电路参数完全一样时，在②、④端口的流出和流进的电流应为零。4.一种光伏组件串列的双向共模差模EMI滤波器设计方法，其特征在于，包括：步骤一：根据光伏组件串列/阵列、逆变器及电网的连接关系，建立在逆变器开关器件轮流通断时产生的噪声干扰信号等效电路；步骤二：对电网及负载、逆变器及组件阵列分别进行电路等效；步骤三：对逆变器差模\共模电磁干扰信号进行分析和测试；步骤四：对光伏组件串列电磁干扰信号进行分析和测试；步骤五：根据逆变器和光伏组件串列电磁干扰信号分析及测试结果来确定滤波器设计要求；步骤六：按照步骤五的设计要求将滤波器设计成由逆变器侧高通型...

【专利技术属性】
技术研发人员：孙凤杰，范杰清，
申请(专利权)人：华北电力大学，
类型：发明
国别省市：北京,11