光伏电站中箱式变电站对低压防雷器的要求

孙红雨，韩 源，万心一，刘 星

(1.中国电建集团西北勘测设计研究院有限公司，西安 710065;2.中国能建集团陕西省电力设计院有限公司，西安 710032)



光伏电站中箱式变电站对低压防雷器的要求

孙红雨1，韩 源1，万心一2，刘 星1

(1.中国电建集团西北勘测设计研究院有限公司，西安 710065;2.中国能建集团陕西省电力设计院有限公司，西安 710032)

非晶硅薄膜电池的负极接地设计在光伏发电系统中非常重要，文章根据非晶薄膜电池对地负偏压时腐蚀较大的缺点，论述了与非晶薄膜电池相配合的逆变器直流侧负极需接地的主要原因。根据逆变器负极接地时电压的特点，得出结论：箱式变电站低压侧防雷器耐压须大于逆变器的直流输入电压与输出相电压峰值之和。

光伏发电；非晶硅薄膜电池；逆变器接地；防雷器耐压

0 前 言

光伏发电作为一种可再生的清洁能源，已成为发电系统的重要组成部分[1-3]。大规模并网光伏发电系统的产生使太阳能在发电领域的利用成为可能。也因此成为科研院所和各高等院校研究的热点[4]。由于光伏发电是利用可再生的太阳能且无大气污染和放射性污染。所以，大规模并网光伏发电系统具有很好的应用发展前景[5-6]。

非晶薄膜电池是光伏发电系统中最重要的组成部分。其自身有一些显著的特点，而负极接地就是其中一个很重要的特点，因此有必要对逆变器负极接地的原因以及对与之配合的箱式变电站低压侧电压产生的影响进行充分的分析了解。

本文着重分析了非晶薄膜电池相匹配的逆变器直流负极接地的主要原因以及逆变器负极接地时箱式变电站低压侧防雷器电压的特点。以期对光伏电站中箱式变电站低压侧防雷器的选择及要求提供参考的依据。

1 薄膜电池的工作原理及特性

1.1 薄膜电池的工作原理

在相同受光面积情况下，非晶薄膜电池和硅晶太阳能电池相比较，可减少硅原料的使用量[7-8]。因此，非晶薄膜电池被公认为是目前最具发展潜力的太阳能发电技术[9-11]。

非晶薄膜电池，光吸收和能量转换的主要结构是半导体PN结面。在电池基板表面上分别涂有具备2种不同导电性能的P型半导体和N型半导体。当太阳光照射在PN结面上，部分电子产生了定向移动，因此获得了足够的能量离开原子变为自由电子，失去电子的原子就会产生空穴[12]。透过P型半导体和N型半导体分别吸引空穴和电子，把正电及负电分开。因此，在PN结两端面上就会产生电位差。

非晶硅薄膜电池的工作原理如图1所示。

图1 薄膜太阳能电池的原理图

非晶薄膜电池是一种具有典型结构的薄膜电池，其薄膜材料是非晶态的硅[13-14]。非晶薄膜电池的发电原理与硅光电池的发电原理基本一致。其结构是在导电透明玻璃(TCO)上沉积一层掺杂的N型非晶硅，厚度约为20～40 nm。然后在N层之上沉积一层厚度约为500 nm的分掺杂的本征层，最上面是15～30 nm的掺杂P型非晶硅。

1.2 非晶硅薄膜电池的优缺点

(1) 非晶薄膜电池之所以受到广泛的关注和重视，该产品具有以下优点

1) 非晶硅的光吸收系数很高，在0.3～0.75 μm的可见光范围内，其吸收系数比单晶硅要高出很多。

2) 非晶硅无晶体所必须要求原子周期性的排列，所以可以不必考虑制备晶体所考虑的材料与衬底间晶格失配的问题。因此，可以说非晶硅可以淀积在包括廉价玻璃的任何衬底上，且可以实现大范围生产。

(2) 非晶硅薄膜电池的缺点

1) 漏电流

电池的表面积越大，电池单元与框架之间距离也就越近，同时对地电容也就越大，其漏电流也就越大。非晶薄膜电池单元通常都是裱好在金属贴箔上，金属贴箔表面积大且很薄。因此，其对地电容较大，漏电流也会比较大。

2) TCO腐蚀

通过分析可以发现，当非晶薄膜电池对地有负偏压时，对电池的腐蚀比较大。负偏压越大其腐蚀性就越大。因此，在光伏电站设计中非晶薄膜电池必须采用负极接地的方式[15]，从而控制负偏压，减少腐蚀。

2 箱式变电站低压防雷器的选择

并网光伏发电站主要由电池组件、汇流箱、并网逆变器及箱式变电站组成，其结构如图2所示。

图2 光伏电站结构图

现阶段已经应用的光伏电池主要是非晶硅薄膜电池。非晶硅薄膜电池由于其本身的结构及封装材料的影响，在使用中会发生电池本身腐蚀的现象，为减缓薄膜电池的腐蚀现象，须将与薄膜电池相匹配的逆变器直流负极接地。如图3所示。

图3 逆变器直流负极接地示意图

箱式变电站的低压侧绕组呈电压源特性，其等效为Uga、Ugb、Ugc，变压器中性点不接地，但是存在较大的对地等效阻抗，如图3中Z所示。UN为变压器中性点对地电压。为便于分析图3中变压器低压侧等效为Y形连接。设三相桥臂的开关函数分别为Sa、Sb、Sc，则逆变桥臂的中点电压：

(1)

(2)

(3)

分别列出PV电池板负极对地到A相回路电压方程：

(4)

同理可列出b、c相与PV电池的回路电压方程:

(5)

(6)

联立式(4)、(5)、(6)可得：

(7)

在对称系统中：

(8)

即使电网不对称或逆变器参数不对称，则式(8)为工频成分，对共模电压影响不大。因此式(7) 可简化为：

(9)

由于逆变器负极接地，即Un-PE=0。把式(1)、(2)、(3)代入式(9)可得：

由KVL定理可得防雷器A相承受电压为：

(10)

(11)

(12)

由式(10)、(11)、(12)可知，箱式变电站低压侧防雷器所承受的电压为直流侧母线电压与相电压峰值之和。

为验证理论分析的正确性，图4、5为PV接地时的仿真波形，仿真时直流母线电压为650 V，相电压为181 V，通过仿真波形可见理论分析的正确性。

通过仿真计算结果可知，若变压器低压侧有防雷器，则防雷器的耐压须大于逆变器的直流输入电压与输出相电压峰值之和。

图4 PV接地时箱变低压侧防雷器承受的电压图

图5 PV接地时箱变低压侧每相防雷器承受的电压图3 结 语

通过以上的分析，并结合各地已建成的应用非晶薄膜电池的光伏电站项目。通过了解电站的运行情况，可得到以下结论：

(1) 为了达到非晶薄膜电池减少漏电流和降低TCO腐蚀的目的，电站设计应该采用薄膜电池相匹配的逆变器直流负极接地方式。

(2) 当逆变器负极接地时，从逆变器的输出侧到箱式变电站低压侧的整个回路中，将A、B、C三相与地相接的器件承受的电压为输入直流母线电压与输出相电压峰值之和。所以，箱式变电站低压侧防雷器耐压须大于逆变器的直流输入电压与输出相电压峰值之和。

[1] 刘邦银,段善旭,康勇.高能效直流模块式光伏发电系统性能评估[J].太阳能学报，2008，29(09)：46-52.

[2] 廖志凌,阮新波.光伏发电系统能量管理控制策略[J].中国电机工程学报，2009，29(21)：46-52.

[3] 赵争鸣,雷一,贺凡波，等.大容量并网光伏电站技术综述[J].电力系统自动化，2011，35(12)：101-107.

[4] 赵争鸣,刘建政.孙晓瑛，等.太阳能光伏发电及其应用[M].北京：科学出版社,2005：109-111.

[5] 梁有伟,胡志坚,陈允平.分布式发电及其在电力系统中的应用综述[J].电网技术，2003,27(12):71-74.

[6] 严陆光,倪受元,李安定.太阳能与风力发电的现状与展望[J].电网技术，1995,19(05):1-9.

[7] 邹红叶.硅薄膜太阳能电池的原理及其应用[J].物理通报，2009(05):56-57.

[8] 李辉,黄才勇,刘兴江，等. 薄膜太阳电池技术发展趋势浅析[J].中国电子科学研究院学报，2012,7(04):344-350.

[9] 庄陶钧,刘亚东. 有机太阳能电池技术及市场展望[J].光机电信息，2010,27(08):1-9.

[10] 张旭鹏,杨胜文,张金玲. 非晶硅薄膜电池应用及前景分析[J].太阳能照明，2010,3(01):39-41.

[11] 寇建玉,张燕娜. 薄膜太阳能电池在荒漠电站的应用前景分析[J].电力勘测设计，2011,8(04):74-78.

[12] 吴奉炳,张大伟.太阳能电池中微纳陷光光栅结构[J].激光杂志，2010,31(05):15-17.

[13] 吕宝堂,赵晖,郑君，等.非晶硅太阳能电池的衰减与退火[J].半导体技术，2002,27(07):65-67.

[14] 唐平,黄晓霞.氧化锡薄膜的光学性能及制备技术[J].四川兵工学报，2012(12):122.

[15] 石巍,张彦昌.非晶硅薄膜电池组件的接地设计[J].电力与能源，2013(08): 405-407.

Requirements on LV Lightening Arrester for Box Transformer in Photovoltaic Power Plant

SUN Hongyu1, HAN Yuan1, WAN Xinyi2, LIU Xing1

(1. Northwest Engineering Corporation Limited, Xi'an 710065,China; 2. Shaanxi Province Electric Power Design Institute, Xi'an 710032,China)

The grounding design of the negative pole of the amorphous silicon film battery is very important in the PV power generation system. Regarding the disadvantage of the serious corrosion of amorphous silicon film battery to ground with the negative bias, in the paper, the principal reasons for the negative pole to be grounded on DC side of the inverter completed with the amorphous silicon film battery are demonstrated. According to the voltage characteristics of the inverter with the negative pole grounded, it concludes that the voltage withstand of the lightening arrester on LV side of the box transformer shall be greater than the sum of the peak values of DC input voltage and output phase voltage of the inverter.Key words: PV power generation; amorphous silicon film battery; inverter grounding; voltage withstand of lightening arrester

1006—2610(2016)05—0076—03

2016-02-22

孙红雨(1982- ),男,辽宁省盘锦市人,工程师,从事新能源电气设计工作.

TM615

A

10.3969/j.issn.1006-2610.2016.05.019