Cees Keyer1，2，Roelof Timens2，F(xiàn)rits Buesink2，F(xiàn)rank Leferink2，3

1 阿姆斯特丹應(yīng)用科學(xué)大學(xué)，部門(mén)，電氣工程，阿姆斯特丹，荷蘭，c.h.a.keyer@hva.nl

2 屯特大學(xué)，恩斯赫德，荷蘭

3 荷蘭泰勒斯，荷蘭亨格洛

摘要：隨著現(xiàn)代光伏安裝的急速增加，制造商們也在用不同的兼容標(biāo)準(zhǔn)以宣稱符合有關(guān)法規(guī)要求，例如歐洲EMC指令。這些所謂的兼容標(biāo)準(zhǔn)其實(shí)并未遵循歐洲EMC指令（的基本要求），更大程度上是尋求便利最大化，成本最低化。一些生產(chǎn)商僅在逆變器上安裝以太網(wǎng)接口，就宣稱其相當(dāng)于一臺(tái)可適用于IT設(shè)備的電腦。而過(guò)長(zhǎng)的直流母線又會(huì)像天線一樣產(chǎn)生電磁現(xiàn)象，目前卻沒(méi)有發(fā)行直流母線的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。本文呈現(xiàn)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示，光伏逆變器正在成為嚴(yán)重電磁干擾的原因，更談不上符合EMC規(guī)范。

關(guān)鍵詞： EMC指令，太陽(yáng)能電池板，光伏逆變器，業(yè)余無(wú)線電干擾

一、簡(jiǎn)介

最近，由于光伏安裝引起的對(duì)無(wú)線接收電磁干擾的投訴急劇增加。各國(guó)政府都大力補(bǔ)貼替代能源，其數(shù)量也在快速增長(zhǎng)。并網(wǎng)逆變器必須符合歐盟共同市場(chǎng)中的國(guó)際協(xié)調(diào)標(biāo)準(zhǔn)。初步調(diào)查顯示，一些供應(yīng)商們會(huì)采用一種創(chuàng)新方法以滿足最簡(jiǎn)單的電磁適應(yīng)性（EMC）要求。實(shí)際上，這些供應(yīng)商誤用了其他產(chǎn)品而非逆變器的產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)。

在Hamza等人的文章中 [2]，他們研究了一個(gè)固定安裝的電網(wǎng)捆綁式光伏系統(tǒng)。其傳導(dǎo)EMI測(cè)量結(jié)果顯示在光伏系統(tǒng)的直流側(cè)上傳播著大量由逆變器模塊所產(chǎn)生的發(fā)射。在Areneo等人的研究中報(bào)道了大型的光伏安裝[3]。他們的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明直流電纜會(huì)形成電導(dǎo)耦合路徑，也可能會(huì)成為一根天線。Piazza等人[4]的研究表明直流電纜是完美的天線。在該文章中還顯示了RF的相互作用和有害的發(fā)射測(cè)量結(jié)果。在文[2，3]中，研究了高功率 >10 kW 光伏安裝，在文[4]中，研究了低功率 < 3kW的光伏安裝。

本文使用原位測(cè)量研究了住宅環(huán)境中三個(gè)不同低功率（< 3kW）轉(zhuǎn)換逆變器所引起的干擾，并且對(duì)比了來(lái)自三個(gè)供應(yīng)商的符合性聲明。

二、歐洲EMC指令

歐洲EMC指令[3]的前言2中說(shuō)到：

各成員國(guó)應(yīng)負(fù)責(zé)確保無(wú)線電通訊，包括無(wú)線電廣播接收和業(yè)余無(wú)線電業(yè)務(wù)運(yùn)行符合國(guó)際電信聯(lián)盟（ITU）無(wú)線電條例，供電網(wǎng)絡(luò)，通訊網(wǎng)絡(luò)以及與其連接的設(shè)備都進(jìn)行了防電磁干擾保護(hù)。

在該指令前言 13中說(shuō)到：

一旦在歐盟官方雜志上出版了需要參考此類標(biāo)準(zhǔn)，那么符合這類標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定則即為假定應(yīng)符合其相關(guān)基本要求，盡管也應(yīng)該允許采用其它方式來(lái)證明其符合性。

這就意味著國(guó)家機(jī)構(gòu)應(yīng)負(fù)責(zé)控制并檢查產(chǎn)品能夠滿足基本要求（第 5條），并且如果產(chǎn)品未能滿足基本要求，那么這些產(chǎn)品就會(huì)被要求下市。

然而，荷蘭的執(zhí)法人員，Agentschap電信，確實(shí)只是重點(diǎn)檢查設(shè)備是否滿足協(xié)調(diào)標(biāo)準(zhǔn)，而不考慮是否違反了指令的基本要求。實(shí)際上，在幾乎所有的歐洲國(guó)家，負(fù)責(zé)執(zhí)行法律的國(guó)家機(jī)構(gòu)都因?yàn)轭A(yù)算限制問(wèn)題而無(wú)法阻止不良供應(yīng)商違反這些基本要求。

在西德德意志無(wú)線電廣播在電視上播出了正確地應(yīng)用歐洲EMC指令第5條（基本要求）和第6條（在協(xié)調(diào)標(biāo)準(zhǔn)基礎(chǔ)之上的符合性假設(shè)）的案例[7]。

大家都知道市場(chǎng)監(jiān)督存在問(wèn)題[8，9]，但是在歐洲各成員國(guó)之間的差異也是非常大的。

三、光伏安裝與測(cè)量設(shè)置

光伏安裝是由與直流總線連接的光伏管或者“太陽(yáng)能板”組成的。直流電壓會(huì)被轉(zhuǎn)換成為50 Hz 的正弦電壓，接著該電壓會(huì)通過(guò)光伏逆變器被供給電網(wǎng)。從而光伏逆變器就可以把太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換到電網(wǎng)上。荷蘭當(dāng)?shù)氐碾娋W(wǎng)連接安裝《NEN 1010》條例允許將低功率≤ 600 VA直接連接到插座上，而不需要采取特殊的措施。能夠提供更大功率（>600 VA）的光伏逆變器應(yīng)連接在一根帶保險(xiǎn)絲的獨(dú)立饋線上。在該饋線上，不允許連接任何其它設(shè)備。荷蘭低電壓（230 V）網(wǎng)系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)（NEN 1010）中會(huì)要求這一點(diǎn)，是因?yàn)槿绻敵龉β实诫娋W(wǎng)，那么電流會(huì)“流過(guò)”保險(xiǎn)絲。當(dāng)將設(shè)備連接在同一根保險(xiǎn)絲上時(shí)，例如，16 A保險(xiǎn)絲，那么光伏安裝就從您的光伏逆變器上輸出了10 A電流到保險(xiǎn)絲，那么該設(shè)備應(yīng)使用26A的默認(rèn)電流才能熔斷保險(xiǎn)絲，這不是大家想要的結(jié)果。

圖1顯示的是用于測(cè)量的Fischer Custom Communications F-35 與Rigol DSA 815頻譜分析儀。盡管直流總線上有不同的CM模式電流測(cè)量方法 [2，5]，但是在本文的情況下，是不太可能打開(kāi)DC總線，與線路阻抗穩(wěn)壓網(wǎng)絡(luò)相連的。

三個(gè)逆變器的測(cè)量設(shè)置都是相同的。使用兩根線夾緊直流總線，以防止直流夾具的飽和，并測(cè)量高頻共模（CM）電流。在打開(kāi)或者關(guān)閉逆變器開(kāi)關(guān)的情況下，進(jìn)行了直流總線測(cè)量。這樣做是為了檢查逆變器是否會(huì)引起CM電流。CM電流環(huán)路是由實(shí)際的安裝所產(chǎn)生的，因此必須在原位進(jìn)行測(cè)量。

第一次測(cè)量于01月31日，星期五，協(xié)調(diào)時(shí)間08:00在荷蘭斯哈亨進(jìn)行。



圖 1：測(cè)量設(shè)置



圖 2：30m電纜的 Soladin 600發(fā)射



圖 3：帶業(yè)余無(wú)線電天線的光伏管

有一位業(yè)余無(wú)線電操作員投訴在接受其它業(yè)余無(wú)線電時(shí)本底噪音及干擾都增加了。

圖3所示的光伏安裝，使用了大約30米的直流電纜，這個(gè)電纜的作用就像是完美的HF（高頻）調(diào)諧天線帶。在一年多以前就測(cè)量過(guò)直流和交流電網(wǎng)連接的發(fā)射，以診斷該安裝中的干擾問(wèn)題。圖2中顯示的是當(dāng)時(shí)測(cè)量的一個(gè)快照。我們努力想要找出業(yè)務(wù)無(wú)線電操作員所投訴的干擾源。我們將電纜剪短了幾米，以減少無(wú)用“天線”（直流電纜）的有效性。這么做極大地降低了干擾，但是依然還不夠。



圖4：SMA sunnyboy （紅色） 和 Soladin 600 （藍(lán)色1）

四、直流總線傳導(dǎo)發(fā)射對(duì)高頻帶的干擾

我們進(jìn)行了直流電纜的發(fā)射測(cè)量。業(yè)余無(wú)線電操作員利用兩個(gè)不同的逆變器，兩個(gè)來(lái)自 SMA （類型：Sunny Boy）、一個(gè)來(lái)自 Mastervolt（類型：Soladin 600），如圖4所示。就在日出之后就馬上進(jìn)行了測(cè)量，因?yàn)楫?dāng)時(shí)傳送到電網(wǎng)的功率相當(dāng)?shù)?。兩個(gè)逆變器的結(jié)果如圖5和圖6所示。

最高達(dá)到5 MHz時(shí)，來(lái)自SMA逆變器的發(fā)射比來(lái)自Soladin逆變器的發(fā)射要低為10-20 dB。在5MHz以上時(shí)，來(lái)自SMA逆變器的發(fā)射與來(lái)自Soladin逆變器的發(fā)射為同一個(gè)數(shù)量級(jí)。對(duì)于此范圍內(nèi)的一些頻率來(lái)說(shuō)，例如，10MHz和50MHz，來(lái)自Soladin的發(fā)射明顯更高一些。當(dāng)收聽(tīng)10MHz業(yè)余無(wú)線電頻段時(shí)，噪音發(fā)散相當(dāng)?shù)么?，SMA Sunny boy的噪音幾乎要小10-20 dB。

在另一個(gè)位置我們也測(cè)量了另外一個(gè)Soladin 600。測(cè)量是在一個(gè)陽(yáng)光明媚的早晨進(jìn)行的，輸送至電網(wǎng)的功率相比較之前有所增加。該逆變器安裝在一個(gè)移動(dòng)的架子上，向著太陽(yáng)，如圖7所示。圖8顯示的是測(cè)量結(jié)果圖，單位為dBµV。直流電纜的長(zhǎng)度為2米。與該早晨之前的第一次測(cè)量相比，在直流電纜上更高頻率發(fā)射噪聲確實(shí)有所增加。

第三個(gè)測(cè)量的逆變器為安裝在普通家庭屋頂上的Omnik逆變器，帶12光伏太陽(yáng)能板，如圖9所示。有兩根直流總線連接，因此每根總線上有6塊太陽(yáng)能板。

Omnik逆變器安裝在閣樓上。閣樓中沒(méi)有住人，僅用于存儲(chǔ)設(shè)備和家具。因此，來(lái)自其他電網(wǎng)連接設(shè)備的任何背景干擾只是來(lái)自當(dāng)?shù)氐碾娋W(wǎng)。



圖 5：低太陽(yáng)能功率測(cè)量Soladin



圖 6： Soladin （藍(lán)色） SMA （紅色） 光譜測(cè)量



圖7：移動(dòng)的光伏陣列， Soladin安裝在背面



圖8：太陽(yáng)照明較大的測(cè)量值



圖 9：屋頂上的12塊太陽(yáng)能板，采用Omnik逆變器

如圖10所示，在該逆變器的底部為兩根用于連接直流總線的黑色/紅色電纜，一根為230 V交流電纜（淺灰色），以及一根WIFI天線。

直流電纜的長(zhǎng)度未知。其頻譜測(cè)量如圖11所示，大約比Soladin 600要低10-20 dB。



圖 10：Omnik逆變器



圖11： Omnik逆變器頻譜

五、符合標(biāo)準(zhǔn)聲明對(duì)比

在[10，11，12]的符合性聲明中列出了其測(cè)試所采用的標(biāo)準(zhǔn)。發(fā)射標(biāo)準(zhǔn)列在表1中

表 I：發(fā)射標(biāo)準(zhǔn)清單



按照通用發(fā)射標(biāo)準(zhǔn)EC 61000-6-3 和IEC61000-6-4，對(duì)SMA Sunny Boy 和 Omnik 逆變器進(jìn)行了測(cè)試。因此，也對(duì)直流總線進(jìn)行了測(cè)試。然而，Soladin 600是按照IEC 61000-3-2 和IEC 55022標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行測(cè)試的。

IEC 61000-3-2是針對(duì)電網(wǎng)上的諧波失真，針對(duì)額定電流最高為16A的設(shè)備。IEC 61000-3-12是針對(duì)電網(wǎng)上的諧波失真，針對(duì)額定電流為16-75 A的設(shè)備。IEC 61000-3-11是針對(duì)電壓波動(dòng)與電壓變化。符合性聲明[10，11，12]的對(duì)比表明Soladin600和SMA Sunny Boy是按照EN55022 （CISPR 22）進(jìn)行測(cè)試的。這是信息技術(shù)（IT）設(shè)備的產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)，SMA逆變器中含有一個(gè)wifi適配器CISPR 22。在IEC 61000-6-3中描述了直流電源總線的范圍。在該標(biāo)準(zhǔn)中說(shuō)到“3.5電源端口：電源端口指的是攜帶有設(shè)備運(yùn)行（功能）或者與有關(guān)設(shè)備所需基本電源的導(dǎo)體或者電纜連接到該設(shè)備的端口”。該標(biāo)準(zhǔn)的下文中還說(shuō)到：“3.8直流電源網(wǎng)絡(luò)：在某個(gè)地方或者建筑物基礎(chǔ)設(shè)施中，某臺(tái)或者多臺(tái)不同類型設(shè)備能夠靈活使用，能夠保證與公共電網(wǎng)相獨(dú)立的持續(xù)電源供應(yīng)的局部電源供應(yīng)網(wǎng)絡(luò)”[13]。因此，光伏安裝的直流總線并不是本標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)的直流總線。

六、第 6條的誤用

所有歐洲市場(chǎng)上的設(shè)備都應(yīng)滿足EMC指令的要求。一種常見(jiàn)的方法就是遵守第6條的規(guī)定，在第6條中說(shuō)到當(dāng)采用協(xié)調(diào)標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，就會(huì)提出符合性的假設(shè)。這些協(xié)調(diào)標(biāo)準(zhǔn)是用于測(cè)試設(shè)備的。如果設(shè)備通過(guò)了這些測(cè)試，那么制造商就假定符合了EMC指令的規(guī)定，如指令2004/108/EC 第6條中所說(shuō)的一樣[6]。

設(shè)備的制造商可以選擇適用的協(xié)調(diào)標(biāo)準(zhǔn)。由于在逆變器中集成了以太網(wǎng)端口，因此Soladin逆變器的制造商就會(huì)說(shuō)這是一臺(tái)帶有某些特殊特點(diǎn)的電腦。對(duì)于IT設(shè)備，并沒(méi)有關(guān)于來(lái)自直流總線傳導(dǎo)發(fā)射方面的限制。如果讀者們看一下另外兩份符合性聲明，那么你就會(huì)發(fā)現(xiàn)并沒(méi)有提及直流總線方面的任何標(biāo)準(zhǔn)。SMA和Omnik使用的是來(lái)自61000-6系列的通用標(biāo)準(zhǔn)來(lái)測(cè)試其設(shè)備以及直流側(cè)。Soladin 600僅測(cè)試交流側(cè)（230 V），這是因?yàn)闃?biāo)準(zhǔn)IEC 55022中并沒(méi)有提到直流總線。這在光伏逆變器上可以使用的標(biāo)準(zhǔn)來(lái)說(shuō)應(yīng)特別注意，因?yàn)闇y(cè)量結(jié)果表明業(yè)余無(wú)線電操作員會(huì)受到嚴(yán)重的干擾。這可以作為向那些違反EMC指令基本要求的光伏逆變器提起法院訴訟非常好的證據(jù)。但是誰(shuí)會(huì)提起訴訟呢？

七、 結(jié)論

在國(guó)際協(xié)調(diào)標(biāo)準(zhǔn)中并沒(méi)有描述光伏安裝的直流總線發(fā)射。因此，制造商可以隨心所欲地根據(jù)其預(yù)算制造設(shè)備。即使是設(shè)備安裝了以太網(wǎng)端口，不適用通用標(biāo)準(zhǔn)，那么制造商們依然可以說(shuō)這是一臺(tái)具有特殊功能的電腦。制造商們會(huì)尋求 “創(chuàng)新”方法來(lái)讓他們的產(chǎn)品上市，而不顧及無(wú)線電波普用戶的權(quán)利。其電流可以引起高輻射干擾。實(shí)際上，供應(yīng)商們違反了歐洲EMC指令的基本要求。由于受到國(guó)家當(dāng)局的預(yù)算限制，光伏逆變器供應(yīng)商可以繼續(xù)進(jìn)行其違法活動(dòng)。

致謝

非常感謝無(wú)線電操作員PA5KK在本文測(cè)量中所進(jìn)行的指導(dǎo)。

圖12： PA5KK的“工作室”



參考文獻(xiàn)

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[10] 《馬斯特威Soladin 600用戶手冊(cè)》，google搜索。2014年2月 22日訪問(wèn)。

[11] SMA Sunny Boy銷(xiāo)售傳單。google搜索。2014年2月 22日訪問(wèn)。

[12] 《Omnik用戶手冊(cè)》，google搜索。 2014年2月 22日訪問(wèn)。

[13] IEC 61000-6-3，《電磁適應(yīng)性（EMC）》 - Part 6-3：通用標(biāo)準(zhǔn) –住宅、商業(yè)和光工業(yè)環(huán)境的發(fā)射標(biāo)準(zhǔn)（IEC 61000-6-3:2006，IDT）