（新鄉(xiāng)職業(yè)技術(shù)學(xué)院機電工程系，河南新鄉(xiāng)453002）

0 引言

隨著清潔能源在我國的不斷推廣，光伏發(fā)電已經(jīng)成為我國能源系統(tǒng)中的重要組成部分[1，2]。相關(guān)統(tǒng)計數(shù)據(jù)[2]表明，截止2016年底，中國光伏發(fā)電新增裝機容量34.54GW，累計光伏裝機容量已達(dá)77.42GW，新增和累計裝機容量均為全球第一。我國光伏發(fā)電裝機呈現(xiàn)出的顯著特點是分布式光伏提速，光伏電站趨緩[3]。

光伏設(shè)備暴露在戶外，且多安裝在屋頂或曠野，十分容易遭受雷電威脅。由于光伏陣列回路的抗壓能力越來越差，逆變器的電子元件非常敏感，為了確保光伏系統(tǒng)至少20年的使用壽命[1]，雷擊浪涌的防護是必不可少的。目前國內(nèi)外對于光伏電站的雷電防護研究較為成熟[4-5]，通過試驗[6]和仿真手段[7]得出一系列有價值的防護建議。但是對于屋頂光伏等分布式光伏發(fā)電的防雷研究[8-9]相對較少，多是局限于經(jīng)驗性指導(dǎo)描述[10]，缺乏具體防護措施效果的定量與定性分析。

筆者介紹了屋頂光伏發(fā)電系統(tǒng)雷擊浪涌危害途徑，利用EMTP軟件[11]建立外部防雷系統(tǒng)與光伏組件等效電路模型，計算雷擊建筑接閃器時光伏發(fā)電系統(tǒng)雷擊浪涌過電壓，討論改變雷電流幅值、接地電阻和SPD安裝方式對降低雷擊浪涌危害的防護效果。

1 屋頂光伏發(fā)電系統(tǒng)的防雷保護

對于屋頂式光伏發(fā)電系統(tǒng)，雷電對其危害途徑主要有以下三種[7-8]：雷電直擊、高電位反擊、電磁感應(yīng)耦合。雷電直擊：屋頂光伏組件處于暴露空間，且組件邊框均為金屬材質(zhì)，雷電直接擊中光伏陣列金屬邊框時，引起整個光伏組件的損壞。高電位反擊：當(dāng)屋頂光伏發(fā)電系統(tǒng)安裝外部防雷裝置時，一旦外部防雷系統(tǒng)遭受雷擊，外部防雷裝置因電位抬高，極易與光伏組件間發(fā)生電弧閃絡(luò)。電磁感應(yīng)：當(dāng)雷擊外部接閃裝置或光伏陣列邊框上，強大的瞬變電磁場會在電纜導(dǎo)體回路中感應(yīng)產(chǎn)生很高的電勢[12]。

屋頂光伏系統(tǒng)如果被安裝在具有外部防雷裝置的建筑物上，基本要求[13]是光伏設(shè)備要處于接閃裝置的保護范圍內(nèi)，同時光伏組件與外部防雷系統(tǒng)之間的隔離距離必須大于安全距離[14]。但是現(xiàn)實情況中為了盡可能提高發(fā)電效益，常常無法實現(xiàn)安全隔離。因此，必須將光伏組件與外部防雷系統(tǒng)進行等電位連接，同時在直流電纜處安裝SPD以保護逆變器防止雷電流侵入危害。圖1給出了一個典型屋頂光伏發(fā)電系統(tǒng)防雷保護示意圖[15]。

2 雷擊浪涌仿真模型

2.1 雷電流模型

雷電流等效波形采用雙指數(shù)函數(shù)波，具體表達(dá)式如式（1）所示[16]：

式中：I0為雷電流幅值；α和β分別為波頭時間常數(shù)和波尾時間常數(shù)；kc為幅值修正系數(shù)，kc=mm/（m-1）/（m-1），其中m=β/α。

圖1典型屋頂光伏發(fā)電系統(tǒng)防雷保護Fig.1 Lightning protection of typical roof-mounted photovoltaic power generation system

2.2 光伏發(fā)電系統(tǒng)模型

圖2給出了圖1所示的光伏防雷系統(tǒng)等效示意圖。

圖2 防雷系統(tǒng)等效電路模型Fig.2 Equivalent circuit of lightning protection system

雷電擊中建筑接閃器后，由于光伏電池板邊框與接閃系統(tǒng)相連，雷電流沿金屬邊框傳播，單個光伏電池單元邊框按多波阻抗模型考慮[17]，表1給出了光伏電池單元參數(shù)。

我國地表水資源豐富，近幾十年來人口增長和經(jīng)濟快速發(fā)展對河流水體造成了嚴(yán)重的污染。河流水體是工業(yè)廢水和生活污水的直接收納水體，河流水體污染已成為一個事關(guān)公共安全和人類健康的重要社會問題，而水環(huán)境中對人類和生態(tài)系統(tǒng)威脅最大的是有機污染物。河流水體中的持久性有機污染物已在全國范圍內(nèi)得到充分證明，對城市水資源保護構(gòu)成了巨大的挑戰(zhàn)［13-14］。有機污染物可能會默默地吞噬中國有限的水資源，并對生態(tài)系統(tǒng)和人類健康造成持續(xù)的潛在危害［15］。

表1 光伏電池單元參數(shù)Table 1 Unit parameters of photovoltaic cells

光伏組件由12塊光伏電池單元串聯(lián)而成，具體排列方式如圖1所示，電池單元通過電纜相互連接。電纜采用1kV聚氯乙烯絕緣護套電纜，電纜電阻與電感通過下式計算[18]：

式中，ρw為電纜電阻率；l為電纜線長度；rw為電纜線半徑。電纜導(dǎo)線截面4 mm2，電阻率4.6×10-3Ω.m，絕緣層厚度1 mm，相對介電常數(shù)8，相對磁導(dǎo)率為1。

SPD采用氧化鋅壓敏電阻，在EMTP中采用非線性電阻表示，其電流與電壓之間的關(guān)系服從下式關(guān)系[19]：

式中：ib為陡波電流，kA；p、q是常數(shù)；q的典型值為20～30；Uref為參考電壓，通常解決壓敏電阻額定電壓。仿真時采用的SPD參考電壓U1mA為715V，8/20μs-10 kA雷電流沖擊下殘壓2.0 kV。

由于雷電流高頻成分豐富，建立逆變器模型時主要考慮電容影響，等效模型如圖3所示[17]。

圖3 逆變器模型Fig.3 Equivalent model of the inverter

圖3中端口電容Cp取500 pF，內(nèi)阻Rs取0.01 Ω，電感Ls取0.05 mH。

3 仿真結(jié)果

3.1 電流與過電壓

圖4給出了30 kA雷電流沖擊下流經(jīng)引下線和直流電纜的雷電流，共用接地電阻4 Ω。雷電流波形2.6/50 μs，對應(yīng)雷電流通道波阻抗800 Ω左右[20]。

圖5給出了30 kA雷電流沖擊下光伏陣列過電壓和逆變器端口電位差。

通過圖5可以看出，光伏陣列和逆變器端口過電壓波形均呈衰減振蕩特點，由于安裝了SPD，光伏陣列和逆變器端口過電壓都未超過其沖擊耐受電壓，得到了有效的保護。

3.2 雷電流幅值影響

圖6給出了光伏陣列對地、逆變器對地和逆變器端口過電壓幅值隨雷電流幅值變化曲線。

圖4 引下線與電纜分流Fig.4 Shunting of the down conductor and DC cable

圖5 設(shè)備過電壓波形Fig.5 Overvoltage waveform of equipment

圖6 雷電流幅值對設(shè)備過電壓影響Fig.6 Influence of the amplitude of lightning current on the overvoltage of equipment

由圖6可以看出，隨著雷電流幅值的增加，各設(shè)備過電壓均呈現(xiàn)出上升趨勢，光伏陣列對地過電壓和逆變器對地過電壓受雷電流幅值影響更為明顯，逆變器端口過電壓增加不是十分明顯。根據(jù)雷電流幅值概率分布公式[16]，幅值超過100 kA的概率小于5%，在良好接地與SPD防護下，過電壓不會對設(shè)備絕緣造成太大危害。

3.3 接地電阻影響

圖7給出了30 kA雷電流沖擊下光伏陣列和對地過電壓幅值隨接地電阻變化曲線。

圖7 接地電阻對設(shè)備過電壓影響Fig.7 Influence of grounding resistance on the overvoltage of equipment

從圖7可以看出，接地電阻對設(shè)備過電壓影響非常大，接地電阻阻值越大，設(shè)備過電壓增加越明顯。接地電阻超過10 Ω時，過電壓便超過了光伏陣列和逆變器沖擊耐受電壓，對設(shè)備絕緣造成極大損壞，因此需要盡可能控制建筑共用接地電阻。

3.4 SPD保護模式

圖8給出了引下線與直流電纜之間三種不同的SPD安裝保護模式。

圖8 SPD保護模式Fig.8 SPD protection modes

圖9給出了三種保護方式下，光伏陣列對地、逆變器對地、逆變器端口過電壓幅值。雷電流幅值30kA，接地電阻4 Ω。

圖9 不同保護模式保護效果Fig.9 Protection effects of different protection modes

由圖9可以看出，a、b、c三種保護模式下，光伏陣列和逆變器對地過電壓幅值相差不大，均得到了較好的抑制，但是逆變器端口電位差相差較大，c類保護模式下逆變器端口過電壓幅值最小。因此，不考慮費用情況下，c類保護模式能夠取得最好的防護效果。

4 結(jié)論

介紹屋頂光伏發(fā)電系統(tǒng)雷擊危害途徑，利用EMTP軟件建立等效電路模型，計算雷擊建筑接閃器時光伏陣列和逆變器浪涌過電壓，討論雷電流幅值、接地電阻和SPD保護模式對雷擊浪涌的防護效果，得到結(jié)論如下：

1）雷擊建筑外部接閃器時，流經(jīng)直流電纜的雷電流較小，引下線泄散了絕大部分電流。

2）光伏陣列和逆變器過電壓幅值隨著雷擊電流幅值和接地電阻的增大而增加。

3）在直流電纜正極、負(fù)極與引下線之間均安裝SPD能夠取得最好的防護效果，逆變器端口電位差最小。

[1] 李安定，呂全亞.太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)工程[M].北京：北京工業(yè)大學(xué)出版社，2001.

[2] 孫航，李帥.2017上半年光伏產(chǎn)業(yè)發(fā)展報告[J].能源，2017（8）：67-70.

SUN Hang，LI Shuai.2017 Development review and out?look of photovoltaic power Generation[J].Energy，2017（8）:67-70.

[3] 章激揚，李達(dá)，楊蘋，等.光伏發(fā)電發(fā)展趨勢分析[J].可再生能源，2014，32（2）：127-132.

ZHANG Jiyang，LI Da，YANG Ping，et al.Trend analysis of photovoltaic power Generation[J].Renewable Energy，2014，32（2）:127-132.

[4] MéNDEZ Y，ACOSTA I，RODRíGUEZ J C，et al.Effects of the PV-generator’s terminals connection to ground on electromagnetic transients caused by lightning in utility scale PV-Plants[C].2016 International Conference on Lightning Protection（ICLP 2016），2016:1-8.

[5] 李輝，陳江波，尹晶，等.大型光伏發(fā)電站防雷研究[J].中國電力，2014，47（1）：112-117.

LI Hui，CHEN Jiangbo，YIN Jing，et al.Over-voltage inva?sionwavesimulationandlightningprotectionstudyof largescale photovoltaic power Generation stations[J].Electric Power，2014，47（1）:112-117.

[6]NATTAPONG Phanthuna，ATDANAI Thongchompoo.Mod?el and experiment for study and analysis of photovoltaic lightning effects[C].2010 International Conference on Pow?er System Technology，2010:1-5.

[7] 竇志鵬，楊仲江，劉健.光伏組件的雷電感應(yīng)過電壓和過電流計算[J].電瓷避雷器，2017（3）：17-51.

DOU Zhipeng，YANG Zhongjiang，LIU Jian.Calculation of voltage and current induced by lightning electromagnet?ic fields in photovoltaic modules[J].Insulators and Surge Arresters，2017（3）:17-51.

[8] 梅勇成，陳華暉.獨立太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)防雷技術(shù)探討[J].氣象科技，2009，37（6）：763-766.

MEI Yongcheng，CHEN Huahui.Techniques of lightning protection for photovoltaic stand-alone system[J].Meteoro?logical Science and Technology，2009，37（6）:763-766.

[9] 楊磊，譚涌波，強玉華.光伏建筑雷電災(zāi)害和預(yù)警措施研究[J].電瓷避雷器，2014（5）：94-99.

YANG Lei，TAN Chongbo，QIANG Yuhua.Research on the lightning disaster and lightning warning measures of building integrated photovoltaic[J].Insulators and Surge Arresters，2014（5）:94-99.

[10]吳文輝.分布式發(fā)電系統(tǒng)的防雷保護分析和研究[J].華東交通大學(xué)學(xué)報，2008，25（2）：47-50.

WU Wenhui.Analysis of lightning protection for distribut?ed Generation system[J].Journal of East China Jiaotong University，2008，25（2）:47-50.

[11]吳文輝，曹祥麟.電力系統(tǒng)電磁暫態(tài)計算與EMTP應(yīng)用[M].北京：中國水利水電出版社，2012.

[12]Scott Langston Meredith.Lightning generated electromag?netic fields and the currents induced within a closed loop contour[D].Florida:Florida Institute of Technology.

[13]德和盛-防雷指南第二版[M].上海：上海印書館，2009.

[14]IEC 62305-1:2006-01:Protection against lightning-Part 1to Part 4[S].

[15]JOSEF Birkl1，PETER Zahlmann，OTTMAR Beierl.Surge protection for PV generators:requirements，testing proce?dures and practical applications[C].X International Sym?posium on Lightning Protection，2009:681-687.

[16]IEEE Std.1410-2010.IEEE guide for improving the light?ning performance of electric power overhead distribution lines[S].

[17]陳坤，譚進，吉容佩.光伏系統(tǒng)雷電防護特性仿真分析[J].水電能源科學(xué)，2012（9）：206-209.

CHEN Kun，TAN Jin，JI Rongpei.Simulation analysis of lightning protection characteristics of photovoltaic system[J].International Journal Hydroelectric Energy，2012（9）:206-209.

[18]IEEE guide for the installation of electrical equipment to minimize electrical noise inputs to controllers from exter?nal sources，IEEE Std.1982[S].

[19]胡振興，劉渝根，張勇，等.500kV升壓站雷電侵入波過電壓影響因素分析[J].電瓷避雷器，2015（2）：50-55.

HU Zhenxing，LIU Yugen，ZHANG Yong，et al.Study on influence factors of lightning invasion wave overvoltage in 500 kV step-up substation[J].Insulators and Surge Arrest?ers，2015（2）:50-55.

[20]建筑物防雷設(shè)計規(guī)范，GB50057-2010[S].北京：中國計劃出版社，2011.