电磁兼容性技术是太阳能/风能逆变器质量的有效保证

0 前言
如今电磁兼容性技术的发展为太阳能/风电光伏逆变器等电子产品质量保证体系提供了强有力的支撑。那末现在又如何应用电磁兼容性(E1ectromagnetic Compatibility, EMC)技术来提升此类产品质量保证体系标准呐？这是设计工程师与制造厂商最为关心和迫切需要解决问题。
众所周知，太阳能光伏逆变器与风能逆变器，均是将太阳能/风能转换成直流电，而为了使线路损耗最小化，并且将电能传输更远距离，直流电必须转换成高压交流电。太阳能/风能逆变器可以实现直流电到交流电的转换，是所有光伏/风能发电系统中最关键的部分。逆变电路作为大功率模块的驱动电源来说电磁环境存在干扰。因此在设计时，必须考虑电磁兼容性问题，避免驱动单元对外界的干扰。它完成将新产生的电能馈到电网中的关键步骤需要用到这些设备。就像从白炽灯到最新笔记本电脑技术的每一次进步，电子流都可能带来能量的散布，从而引起电磁干扰。当然，接下来必然会关注怎样预防和降低这种干扰，从而实现电磁兼容。更进一步是电磁兼容自身的概念。故实现与保证太阳能逆变器的电磁兼容是设计工程师与制造厂商的一个挑战。
所谓电磁兼容性是指电子、电气设备共处一个环境中能互不干扰、兼容工作的能力，对于一个设备，既要求它不产生过大的干扰使其它设备工作失常，也要求它具有一定的抗干扰能力，以保证在其它设备发出的干扰环境下能正常工作。电磁干扰是通过电场和磁场进行传播的，因此，其基本单位也可以用电场和磁场的单位来表示，工程上普遍采用分贝即db来对电磁干扰进行量测。
为了获得一个产品（设备、系统）优良的EMC，其中之一是存在预测产品的EMC问题，它包括了以下二个方面：其一、电磁干扰(EMl)特性、干扰耦合路径特性、受试设备的电磁敏感度(EMS)特性的物理模拟预测与数学模拟预测；其二、研究科学可行的EMC测试与试验技术，即包括测试方法与测试设备。为此本文对太阳能/风电光伏逆变器EMC预测试技术特征与新型测试设备和测试应用实例作分析，并对太阳能/风能逆变器电磁兼容具体实施作说明。
1 太阳能/风能逆变器电磁兼容(EMC)预测试必不可少
这是为什么呐？为此应对太阳能/风能逆变器在电磁兼容技术上面临的的难题作一说明。其一是，如光伏逆变器还具有电网断开能力，防止光伏发电系统给未连接的公共服务系统提供电源；也就是说，如果在电网断开期间，逆变器维持在线状态，或者在为不可靠的连接提供电源时，会引起光伏发电系统馈电本地公共服务系统中的变压器，并在公共服务系统电线上产生几千伏电压，将危及公共服务设备操作工人的安全。其二是，在处理效率问题的时候需要将太阳能装置产生的功率比例最大化，这种功率是指进入电网后实际能用的功率。其高效率意味着快速的切换操作，这样就有陡峭的上升时间和下降时间，从而引起干扰。而且，寻求设计更为经济的太阳能/风能逆变器导致在拓扑结构图中省去了变压器。这样的设计会产生高电压及快速上升的电压火花，将伴随产生了不想要的电磁干扰。其三是，电磁能设备的电磁兼容管理已经跟不上实际发展的脚步。那末如何应对电磁兼容(EMC)面临的的难题，则对太阳能/风能逆变器预测试必不可少，这是首要的检测手段。
何谓EMC预测试？通常一个太阳能/风能逆变器产品EMC的评价最终归结为是否符合相应的EMC标准，实施这种评价称为EMC鉴定测试，它是在一个产品投放市场前的最后阶段完成的。其实，按照一个产品研发、生产全过程中所需要的EMC测试量而言，鉴定测试只占了不到10％，90％的测试工作量是在此前完成的，包括太阳能/风能逆变器电路的原理样机、初样到正样研制的过程中，通过不断的EMC测试逐步实现产品良好的电磁兼容性。我们将这90％的测试工作总称为EMC预测试。预测试可以比鉴定测试精确度低些、粗略一些，以便迅速找出问题并不使测试设施费用过高。
为了获得太阳能/风能逆变器优良的EMC，其中之一是存在预测产品的EMC问题，它包括了以下二个方面：其一、电磁干扰(EMl)特性、干扰耦合路径特性、受试设备的电磁敏感度(EMS)特性的物理模拟预测与数学模拟预测；其二、研究科学可行的EMC测试与试验技术，即包括测试方法与测试设备。预测试太阳能/风能逆变器在保证必需的精度的同时，缩短测量时间是一个不可忽视的因素，如采用频谱分析仪既可以保证与EMI接收机有相似的精度，又可显著提高测量速度，而且价格不足EMI接收机的一半。因此预测试常采用频谱分析仪代替EMI接收机。也就是说，预测试系统可以使单位具有全程的EMC检测手段，可以全面提高产品的EMC特性。
2 如何建立太阳能/风能逆变器EMC预测试系统
预测试系统具有区别于鉴定测试的特点，主要如下：其一是对环境要求较低，EMC标准对于环境的要求比较严格，一般必须在屏蔽室或暗室中进行，但预测试的主要目的在于初步摸底，只要找到问题所在即可；其二是核心测量仪器利用高性能频谱分析仪，高性能的频谱分析仪完全具备了EMC检测的能力，可以取代传统的电磁干扰(EMl)接收机，目前有一个共识，频谱分析仪是建立预测试系统的最佳选择；其三是专用的中文软件；其四是EMC预测试系统的灵魂是测试软件与测试附件（传感器、天线、LISN、衰减器等）。因为逆变器的测试系统开发是对电磁兼容挑战的一种应对。现举例说明太阳能/风能逆变器EMI预测试系统的基本组成。
EMI测试系统的总体结构（见图1所示）：
系统主要按照GJBl51A的CEl01和REl02对逆变器的EMI性能进行测试，检查太阳能/风能逆变器受试设备的相关EMI性能是否合格，如果不合格必须指出频率点及其对应的幅度值，以备逆变器设计人员有针对性地提出解决办法，将问题较早地消除，为逆变器进入市场前能通过EMI标准测试奠定坚实的基础。
系统主要分为硬件和软件两部分：
(1)硬件部分
包括三个分系统：前端子系统（主要包括传感器，如电流探头、环形天线、杆天线、双锥天线、双脊喇叭天线；电源阻抗稳定网络；衰减器等）、接收机子系统（主要包括频谱仪、射频预选器和EMl分辨带宽选件等）和主控计算机子系统（主要包括PC机、PC-GPIB卡、GPIB线缆）。
(2)软件部分
从功能上可以将该软件系统划分为五个模块：系统管理模块、系统检测模块、扫描模块、数据处理模块和测试结果输出模块。
3 实用新型的太阳能/风能逆变器电磁兼容性(EMC)测试设备
当今太阳能/风能逆变器电磁兼容性(EMC)测试设备有多种，在此以新型的EMSCAN电磁干扰扫描系统与实用太阳能逆变器测试系统的应用为例作说明。
3.1 EMSCAN电磁干扰扫描系统架构与应用
EMSCAN电磁干扰扫描系统采用阵列探头和电子扫描技术的近场测量系统，能获取被测物完整电磁场信息的测量系统，集EMC诊断和EMI测试为一体的电磁兼容综合测量系统。
独特的EMC诊断系统
由1218个探头组成的阵列扫描器，实时看清电磁场，精确定位窄带的和宽带的电磁干扰源，解决各类EMI问题；又能实时显示EMS测试对被测物内部电路的影响，快速解决EMS问题；快速准确评逆变器的屏蔽性能,能帮助工程师迅速积累正确的解决EMI/EMS问题的经验。
EMI预兼容测试功能（图2为EMI预兼容测试系统示意图）
配套线路阻抗稳定网络/电流探头/吸收钳/天线等附件后，EMSCAN能进行准确、高效的EMI预兼容测试，具有背景信号自动识别功能，特别适合企业在普通实验室进行精确的EMI预兼容测试。
EMSCAN控制软件的ASM（天线扫描模块），用于电磁预兼容测试。能依据CISPR 11/14/15/22/25/GJB 1 52A-CEl02进行传导发射测试。依据CISPR 11/14/22/25/GJB 1 52A-REl02进行功率或者辐射发射测试。
可使太阳能/风能逆变器EMI（电磁干扰）的瞬间突显
从以下图形可以充分反映出该电磁干扰高速扫描系统的特征，即能将EMI的瞬间暴露出了来。
频谱扫描
测量和画出选定频率范围内部频率的幅度峰值，从中可以看出电路板上有问题的频率，见图3(a)所示。
空间扫描
用来确定选定频率点的辐射源的具体位置及强度，给出EMI位置和强度的图形。不同的幅度以不同的颜色表示，形成一张地形图，可以实时看到电磁场。空间扫描的结果可以与PCB设计图或者机箱的结构图叠在一起显示。这样可以让我们更容易看清是什么部件在逆变器中产生的辐射，见图3(b) 红色所示。
频谱／空间扫描
对选定区域进行一个频率范围的扫描，测量逆变器被测物每个空间位置上整个频率段的辐射情况，测量一次后，可以在自己的计算机上对测量结果进行细致的全面的分析，如合成频谱功能（几个空间点的频谱图）和合成空间功能（几个频率点的空间分布）。不需要再次测量，可以任意组合空间位置查看合成频谱图，或者任意组合频率点查看空间分布图。频谱/空间扫描能迅速定位干扰源的具体位置，功能非常强大。