竇志鵬，楊仲江，劉 健

（1.南京信息工程大學(xué)中國氣象局氣溶膠－云－降水重點(diǎn)開放實(shí)驗(yàn)室，南京 210044；2.南京信息工程大學(xué)大氣物理學(xué)院，南京210044）

光伏組件的雷電感應(yīng)過電壓和過電流計算

竇志鵬1,2，楊仲江1,2，劉 健1,2

（1.南京信息工程大學(xué)中國氣象局氣溶膠－云－降水重點(diǎn)開放實(shí)驗(yàn)室，南京 210044；2.南京信息工程大學(xué)大氣物理學(xué)院，南京210044）

隨著太陽能在我國能源比例中的持續(xù)增長，對光伏發(fā)電系統(tǒng)可靠性的要求變得越來越高。因此，光伏組件防雷保護(hù)已經(jīng)成為一個非常重要的課題。介紹了光伏發(fā)電系統(tǒng)設(shè)備的雷擊損害機(jī)理，計算不同防雷方式下光伏組件回路的感應(yīng)過電壓。建立光伏組件等效電路模型，分析旁路二極管上承受的雷電過電流。計算表明：雷電流波頭陡度越大，光伏組件距離雷擊點(diǎn)越近，感應(yīng)過電壓幅值越大。光伏電池單元和旁路二極管反向安裝時，旁路二極管上承受的雷電過電流幅值和過電流持續(xù)時間要小于正向安裝方式。雷電過電流極易損壞旁路二極管，需要安裝諸如瞬態(tài)抑制二極管之類的浪涌防護(hù)裝置，減小回路線纜面積。

光伏組件；雷電；感應(yīng)過電壓；旁路二極管

0 引言

為了解決經(jīng)濟(jì)發(fā)展過程中的能源需求問題，我國正在大力發(fā)展清潔能源，其中光伏發(fā)電因其技術(shù)較為成熟得到廣泛的應(yīng)用[1－2]。截止2013年底，在全國累計光伏發(fā)電裝機(jī)容量19.42 GW，其中光伏電站16.32 GW，分布式光伏3.1 GW，全年累計發(fā)電量90億kWh[3]。

隨著光伏電站規(guī)模的增大，光伏陣列的占地面積也不斷擴(kuò)大，雷電對光伏發(fā)電系統(tǒng)的威脅也日益嚴(yán)重。目前，國內(nèi)外對于獨(dú)立光伏系統(tǒng)的雷電防護(hù)已經(jīng)較為成熟，但是對于大型并網(wǎng)光伏陣列系統(tǒng)還沒有十分成熟的技術(shù)。國內(nèi)外對于光伏系統(tǒng)的防雷研究主要有三種方式：試驗(yàn)研究[4，5]、仿真計算[6，7]和經(jīng)驗(yàn)總結(jié)[8-10]。相關(guān)研究[11]結(jié)果表明，即使在距離適中的情況下，雷電流產(chǎn)生的感應(yīng)過電壓也可以到達(dá)數(shù)kV，極易損壞光伏組件。

筆者具體介紹了光伏發(fā)電系統(tǒng)的雷擊損害機(jī)理，分析了光伏系統(tǒng)雷電電磁感應(yīng)過電壓的產(chǎn)生和計算。建立光伏組件等效電路模型，分析不同光伏電池單元和旁路二極管安裝方式下，電池板模塊和旁路二極管上承受的雷電感應(yīng)過電流。最后，提出降低光伏組件雷電浪涌危害的措施。

1 光伏發(fā)電系統(tǒng)的雷擊損害機(jī)理

根據(jù)相關(guān)研究統(tǒng)計[12]，具等效截收面積為A的建筑在T年間遭受雷擊次數(shù)n的概率服從泊松分布：

式中，NG為雷擊大地密度，次/km2·a。

大規(guī)模光伏系統(tǒng)的占地面積可達(dá)幾十平方公里，暴露在曠野十分容易遭受雷擊，而且光伏陣列的電池組件邊框及支架均為金屬材質(zhì)，更增加了雷電導(dǎo)致設(shè)備損壞的可能性。

雷電對光伏發(fā)電系統(tǒng)的危害方式主要有直擊雷、地電位反擊、靜電感應(yīng)和雷電電磁感應(yīng)四種。直擊雷：大型光伏陣列大都安裝在空曠的地方，雷電很有可能直接擊中太陽能電池板。地電位反擊：在有外部防雷保護(hù)的光伏發(fā)電系統(tǒng)中，外部防雷裝置將雷電引入大地，導(dǎo)致地網(wǎng)因電阻耦合產(chǎn)生高電壓，高電壓通過設(shè)備的接線反擊進(jìn)入設(shè)備。靜電感應(yīng)：在雷云電荷積累的過程中，由于光伏陣列的金屬框架的分布電容作用，使得光伏框架上積聚大量電荷。雷云放電結(jié)束后，金屬框架上積累的電荷不能及時釋放，形成靜電感應(yīng)過電壓。雷電電磁感應(yīng)：當(dāng)雷擊光伏電站附近或雷擊光伏陣列金屬框架上，由于強(qiáng)大的瞬變電磁場，周圍導(dǎo)體感應(yīng)產(chǎn)生很高的電勢。

光伏陣列高度一般不高于5 m，靜電感應(yīng)產(chǎn)生的過電壓危害較小。合理的等電位和良好的接地技術(shù)也可以較好地限制地電位反擊危害。過去對光伏發(fā)電系統(tǒng)的防護(hù)重點(diǎn)在直擊雷的防護(hù)，依靠合格的接閃、引下、接地系統(tǒng)，還采用等電位和隔離等其他措施。隨著技術(shù)的發(fā)展，光伏設(shè)備智能化程度越來越高，普遍采用的集成電路抗壓能力越來越差，雷電電磁感應(yīng)過電壓的危害也越來越嚴(yán)重，不但能造成光伏電池板的伏安特性發(fā)生改變[13]，影響發(fā)電效率，而且能損壞旁路二極管、控制器甚至逆變器等。

2 光伏組件雷電電磁感應(yīng)過電壓計算

常見的光伏系統(tǒng)的直擊雷防護(hù)方式有兩種[1]，一種是獨(dú)立接閃系統(tǒng)，如圖1所示。

圖1 獨(dú)立接閃感應(yīng)過電壓Fig.1 Induced voltage for lightning striking to an isolated LPS

另一種是利用光伏組件的金屬邊框和組件的安裝夾件作接閃器，金屬支架做引下線和接地裝置相連，如圖2所示。

圖2 自然接閃感應(yīng)過電壓Fig.2 Induced voltage for lightning striking to a natural LPS

當(dāng)發(fā)生雷擊時，由于光伏組件導(dǎo)體環(huán)路的存在，會在開口處產(chǎn)生感應(yīng)過電壓。根據(jù)電磁感應(yīng)定律，環(huán)路中產(chǎn)生的感應(yīng)過電壓為

式中：Ui為電磁感應(yīng)過電壓；kc為雷電流分流系數(shù)；Mi為接閃導(dǎo)體與光伏組件導(dǎo)體環(huán)路間的有效互感系數(shù)。

雷電擊中獨(dú)立接閃桿時，互感系數(shù)為

式中：b為導(dǎo)體環(huán)路寬度，m；l為環(huán)路長度，m；α為光伏電池板傾角。

雷電直接擊中光伏組件時，互感系數(shù)為

式中，r0為回路線纜的等效半徑，m，一般情況下取0.05b。

考慮到光伏組件金屬邊框?qū)Ω袘?yīng)過電壓的衰減，定義有效互感系數(shù)如下：

式中，RF為金屬邊框衰減因子[10]，對于金屬材質(zhì)的邊框一般取2～6。

以10 Mph光伏組件陣列為例，由24塊光伏電池板串聯(lián)而成，每塊電池板大小1 316 mm×992 mm。雷電流波形采用脈沖函數(shù)模型表示，波形參數(shù)根據(jù)相關(guān)規(guī)范[14]首次正極性雷擊取10/350 μs，首次負(fù)極性雷擊取1/200 μs，首次負(fù)極性以后雷擊取0.25/100 μs。雷電流幅值取20 kA，兩種不同防護(hù)方式感應(yīng)過電壓計算結(jié)果分布見圖3和圖4。

圖3 獨(dú)立接閃感應(yīng)過電壓隨雷電流波形和距離變化Fig.3 Induced voltages depending on lightning current waveforms and distance for lightning striking to an isolated LPS

圖4 自然接閃感應(yīng)過電壓隨雷電流波形和距離變化Fig.4 Induced voltages depending on lightning current waveforms and distance for lightning striking to a natural LPS

雷電擊中獨(dú)立接閃桿時，感應(yīng)過電壓計算參數(shù)如下：l=13.004 m，b=1.384 m，α=30°，金屬邊框衰減因子RF取4，kc分流系數(shù)取1。

雷電擊中光伏組件邊框時，感應(yīng)過電壓計算參數(shù)如下：l=13.004 m，b=1.384 m，金屬邊框衰減因子RF取 4，kc分流系數(shù)取 0.44。

由圖3和圖4可以看出無論是獨(dú)立接閃方式還是自然接閃方式，感應(yīng)過電壓數(shù)值都與雷電波波頭陡度和雷擊點(diǎn)距離有關(guān)。波頭陡度越大，距離雷擊點(diǎn)越近，感應(yīng)過電壓數(shù)值越大。自然接閃方式下相應(yīng)回路感應(yīng)過電壓大于獨(dú)立接閃方式。雷擊光伏電池板邊框時，即便回路距離邊框2 m，10/350 μs波形的感應(yīng)過電壓幅值仍然可以達(dá)到8.1 kV，大大超過了回路耐壓水平，極易損壞光伏電池陣列。

3 感應(yīng)過電流計算

為了防止熱斑現(xiàn)象[15]的發(fā)生，通常在光伏組件中，以數(shù)個電池單體為單位，在這些電池單體的電流的反方向，并聯(lián)一個旁路二極管，為被遮擋組件一側(cè)提供電流通路。當(dāng)環(huán)路中感應(yīng)電壓幅值過大，旁路二極管可能發(fā)生短路。

分析雷電對旁路二極管的危害時，必須考慮光伏電池單元的布置方式。光伏電池單元反向安裝時（圖5（a）），在承受短時沖擊過電壓時光伏電池PN結(jié)可以視作反向二極管，擊穿電壓在10－30V范圍。一個安裝旁路二極管的導(dǎo)體環(huán)路中通常包含12－24個光伏電池單位，可以承受幾百伏的暫態(tài)過電壓。光伏電池單元正向安裝時（圖5（b）），P－N結(jié)的正向?qū)妷狠^低，遭受雷擊時，環(huán)路電流過大極易損壞旁路二極管。

圖5 旁路二極管不同安裝方式Fig.5 Different ways of placing bypass diodes

雷電感應(yīng)過電壓流經(jīng)時的等效電路見圖6（a）和圖6（b），圖中Ui為雷電感應(yīng)過電壓，光伏電池單體等效成反向二極管串聯(lián)，RL和LL為線纜回路等效電阻和等效電感，RL實(shí)測數(shù)值較小，對計算結(jié)果影響不大，計算時取RL≈0。

回路電感LL計算如下[16]：

圖6 短路電流計算等效電路Fig.6 Equivalent circuit for calculating induced circuit current

式中，LL為矩形金屬回路電感，μH。上式在0時具有較高準(zhǔn)確度。

根據(jù)圖6（a）和圖6（b）建立如下電路方程：

式中：iB（t）為流經(jīng)旁路二極管的過電流；i（t）為雷電流；Rt為光伏電池和旁路二極管等效內(nèi)阻；Vt為回路恒壓，反向安裝時，Vt=nVcr+Vbr；正向安裝時，Vt=nVcf+Vbf。n為回路中包含光伏電池單元數(shù)目，Vcr和Vbr分別為光伏電池單元和旁路二極管的反向擊穿電壓，Vcf和Vbf分別為光伏電池單元和旁路二極管的正向壓降。

計算感應(yīng)過電流時相關(guān)參數(shù)如下：光伏電池的反向擊穿電壓Vcr=20 V，正向壓降Vcf=0.7 V，正向?qū)▋?nèi)阻Rcf=4 mΩ；旁路二極管的反向擊穿電壓Vbr=60 V，正向壓降Vbf=0.65 V，正向?qū)▋?nèi)阻Rbf=3 mΩ。光伏組件回路包含24塊光伏電池板。雷電流波形取危害最嚴(yán)重的0.25/100 μs波形，雷電流幅值取20 kA。雷擊光伏系統(tǒng)邊框時感應(yīng)過電流如圖7、圖8所示。

圖7 旁路二極管反向電流Fig.7 Reverse currents in bypass diode

圖8 旁路二極管正向電流Fig.8 Forward currents in bypass diode

由圖7和圖8可以看出，雷擊點(diǎn)距離光伏組件越近，旁路二極管上的過電流越大，這主要是因?yàn)榫嚯xd影響了有效互感系數(shù)Mi。在相同距離和雷擊參數(shù)情況下，旁路二極管正向安裝時承受的雷電過電流幅值和持續(xù)時間都要高于反向安裝方式。不考慮光伏電池單元和旁路二極管的影響，流經(jīng)回路的過電流峰值可以用下式進(jìn)行簡化計算：

式中，縮減因子k取值0.6-1。實(shí)際反向過電流和正向過電流峰值都要小于簡化計算值，簡化計算值可作極端危險閾值參考。

大部分旁路二極管的雪崩容量低于數(shù)十毫焦，不足以應(yīng)付雷電感應(yīng)能量，即使能夠承受單次脈沖能量，自然界中的真實(shí)閃電也是連續(xù)多次脈沖的，浪涌極易損毀旁路二極管[17]。為了保護(hù)二極管免受雷電浪涌的損害，可以在每個旁路二極管旁邊并聯(lián)一個TVS器件，或者在每個接線盒上加上一個TVS器件。

感應(yīng)過電壓的產(chǎn)生是由于光伏電池單體之間互連時會形成一個較大導(dǎo)體環(huán)路（圖9（a）），可以通過適當(dāng)布線減少回路面積（圖9（b）），降低感應(yīng)過電壓幅值，從而有效地保護(hù)旁路二極管和光伏電池。

圖9 光伏組件不同的互連方式Fig.9 Different ways of interconnecting PV modules

4 結(jié)語

具體介紹了光伏發(fā)電系統(tǒng)的四種雷電危害途徑。討論了光伏陣列獨(dú)立接閃和自然接閃方式下，不同雷擊波形和雷擊點(diǎn)距離對光伏系統(tǒng)雷電電磁感應(yīng)過電壓的影響。通過建立光伏組件等效電路模型，分析旁路二極管正向和反向安裝方式下，旁路二極管上承受的浪涌電流。雷電浪涌能量極易損壞旁路二極管，需要在光伏組件回路中安裝浪涌保護(hù)器件，減小線纜回路面積。

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Calculation of Voltage and Current Induced by Lightning Electromagnetic Fields in Photovoltaic Modules

DOU Zhipeng1,2，YANG Zhongjiang1,2，LIU Jian1,2
（1.Key Laboratory for Aerosol－Cloud－Precipitation of China Meteorological Administration，Nanjing University of Information Science and Technology，Nanjing 210044，China；2.The School of Atmospheric Physics，Nanjing University of Information Science and Technology，Nanjing 210044，China）

Reliability requirements of photovoltaic（PV）systems become more important as the share of solar energy in our country energy balance continues to grow.Mechanisms of lightning damage to PV system equipments are presented concretely.Induced voltages in different protection ways in the PV module loop are also calculated.The equivalent circuits of PV module are established to calculate induced circuit currents.The results show that overvoltage in the loop increases with increasing of gradient of lightning current as well as distance between PV modules and lightning strike point.Magnitude and duration of induced current in bypass diode are smaller when bypass diodes are placed in reverse direction than in forward direction.Bypass diodes are vulnerable to lightning induced current and it is necessary to install surge protection devices such as transient voltage suppressor（TVS）and decrease the area of the loop.

PV modules；lightning；induced overvoltage；bypass diode

10.16188/j.isa.1003－8337.2017.03.009

2016－03－31

竇志鵬（1993— ），男，碩士，主要從事風(fēng)機(jī)與光伏雷電災(zāi)害防護(hù)。

國家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計劃（973計劃）資助項(xiàng)目（編號：2014CB441405）；國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（編號：41075025）；江蘇高校優(yōu)勢學(xué)科建設(shè)工程資助項(xiàng)目（PADA）。