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 学生姓名： 指导教师： I 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
2、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 II Abstract In order to solve the problem of energy shortage, solar energy will be widely used, and the inverter as the core of the solar photovoltaic power generation s
3、ystem accessories will have incomparable important role, and the research of household photovoltaic inverter certification also appears especially important. This article first introduces the research status of inverter, then introduces the CQC, CE certification for the requirements of the photovolt
4、aic grid inverter, even emphatically introduces the EMC requirements. Secondly, this paper studies the photovoltaic system of dc injection problem, and made a more detailed instructions for the reasons, harm as well as suppression method. It also studied the causes and harm of the island effect of p
5、hotovoltaic inverter, and made detailed instructions to the principle of island detection. Finally, we focus on the two-way switch power supply for the EMC design, mainly is the filter design make it meet the requirements of the CQC and CE certification, including the dc side of the filter, ac filte
6、r and EMI filter, and the basic principle, types and their advantages and disadvantages, etc. Key Words： certification; Photovoltaic inverter; Wave filtering; DC injection; Island detection 目录 第 1 章 绪论 . 1 1.1 背景和意义 . 1 1.2 国内外光伏逆变器的研究现状 . 1 1.2.1 逆变器的分类 . 1 1.2.2 逆变器的发展 . 2 1.2.3 国内外逆变器认证的研究现状 . 2
7、1.3 本文的研究内容 . 3 第 2 章 光伏逆变器的 CQC 及 CE认证 . 4 2.1 认证的重要性 . 4 2.2 光伏逆变器的 CQC 认证 . 4 2.2.1 对逆变器电性能的 要求 . 4 2.2.3 设备要求 . 6 2.2.4 测试项目 . 6 2.2.4.1 直流输入电压范围和过 欠压测试 . 6 2.2.4.2 并网电流谐波测试 . 7 2.2.4.3 孤岛保护测试 . 7 2.2.4.4 输入过载保护 测试 . 8 2.2.4.5 防反送电保护测试 . 9 2.3 光伏逆变器的 CE认证 . 9 第 3 章 直流注入检测与抑制 . 12 3.1 直流注入产生的原因及其
8、危害 . 12 3.1.1 直流注入产生的原因 . 12 3.1.2 直流注入的危 害 . 12 3.1.3 直流分量的检测标准 . 13 3.1.4 直流分量的检测方法 . 13 3.2 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 . 19 4.1 检测标准 . 19 4.1.1 检测电路及方法 . 19 4.1.1.1 对频率和电压保护功能的测试流程 . 20 4.1.1.2 反孤岛能力测试流程 . 20 4.2 孤岛效应的产 生及其危害 . 21 4.3 孤岛检测原理 . 22 4.4 孤岛检测盲区 . 24 4.5 孤岛效应检测方法 . 25 4.5.1 被动式
9、孤岛检测与保护 . 26 4.5.1.1 过压、欠压和过频、欠频检测 . 26 4.5.1.2 相位偏移检测法 . 27 4.5.2 主动式孤岛检测与保护 . 27 4.5.2.1 输出功率扰动法 . 27 4.5.2.2 电压正反馈 法 . 28 4.5.2.3 主动移频式检测法 . 29 4.5.2.4 主动移相式检测法 . 33 4.5.3 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 . 36 5.1 并网逆变器谐波要求及测试方法 . 36 5.1.1 谐波要求 . 36 5.1.2 测试方法 . 36 5.2 直流侧滤波器 . 37 5.2.1 直流侧
10、滤波器的分类和比 较 . 37 5.2.2 全桥逆变器 型滤波器设计 . 38 5.3 交流侧滤波器 . 41 5.3.1 并网滤波器分类和比较 . 41 5.3.2 SPWM 逆变电路输出谐波分析 . 42 5.3.3 LCL 型滤波器的设计 . 42 5.4 EMI 滤波器 . 46 5.4.1 电磁兼容 . 46 5.4.2 电磁干扰 . 47 5.4.3 参数设定 . 48 5.4.3.1 插入损耗 . 49 5.4.3.2 漏电流 . 50 5.4.3.3 额定电压和额定 电流 . 51 5.4.4 EMI 滤波器设计 . 51 5.4.5 EMI 滤波器参数的确定 . 52 5.4
11、.6 EMI 滤 波器仿真 . 54 参考文献 . 56 附录 . 57 致 谢 . 60 武汉理工大学毕业设计（论文） 1 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。 1.1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
12、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
13、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
14、步扩大，光伏逆变器的认证显得尤为重要。 1.2 国内外光伏逆变器的研究现状 1.2.1 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武汉理工大学毕业设计（论文） 2 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，
15、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
16、,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。 1.2.2 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 50-60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
17、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。 1.2.3 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。日本福岛核泄露事武汉理工大学毕业设计（论文） 3 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
18、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
19、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
20、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。 1.3 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
21、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。 武汉理工大学毕业设计（论文） 4 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。 2.1 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
22、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
23、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。 2.2 光伏逆变器的 CQC 认证 光伏并网逆变器的认证模式为：
24、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。 2.2.1 对逆变器电 性能的要求 CNCA/CTS 0004 2009A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 : 武汉理工大学毕业设计（论文） 5 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 /T14549 1993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
25、 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 0. 98( 超前或 滞后 ) ; 输出有功功率在 20% 50%时，功率因数不小于 0. 95( 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 2.1 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 2.1 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 /s U 0. 5 U 正常 0. 1 0. 5 U 正常 U 0. 85 U 正常 2. 0 U = 0. 85 U 正常 继续运行 V( U = 1. 1 U 正常 )
26、继续运行 1. 1 U 正常 U 1. 35 U 正常 2. 0 1. 35 U 正常 U 0. 05 5) 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 2.2 的要求 表 2.2 电网频率响应 频率 /Hz 逆变器响应 48 逆变器 0. 2 s 停止运行 48 49. 5 逆变器运行 10 miin 后停止运行 49. 5 50. 2 逆变器正常运行 50. 2 50. 5 逆变器运行 2 min 后停止运行，此时处于停运状态的逆变器不得并网 50. 5 逆变器运行 0. 2 s 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 /T15543 2008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
