屋顶光伏发电系统雷击浪涌防护

（新乡职业技术学院机电工程系，河南新乡453002）

0 引言

随着清洁能源在我国的不断推广，光伏发电已经成为我国能源系统中的重要组成部分[1，2]。相关统计数据[2]表明，截止2016年底，中国光伏发电新增装机容量34.54GW，累计光伏装机容量已达77.42GW，新增和累计装机容量均为全球第一。我国光伏发电装机呈现出的显著特点是分布式光伏提速，光伏电站趋缓[3]。

光伏设备暴露在户外，且多安装在屋顶或旷野，十分容易遭受雷电威胁。由于光伏阵列回路的抗压能力越来越差，逆变器的电子元件非常敏感，为了确保光伏系统至少20年的使用寿命[1]，雷击浪涌的防护是必不可少的。目前国内外对于光伏电站的雷电防护研究较为成熟[4-5]，通过试验[6]和仿真手段[7]得出一系列有价值的防护建议。但是对于屋顶光伏等分布式光伏发电的防雷研究[8-9]相对较少，多是局限于经验性指导描述[10]，缺乏具体防护措施效果的定量与定性分析。

笔者介绍了屋顶光伏发电系统雷击浪涌危害途径，利用EMTP软件[11]建立外部防雷系统与光伏组件等效电路模型，计算雷击建筑接闪器时光伏发电系统雷击浪涌过电压，讨论改变雷电流幅值、接地电阻和SPD安装方式对降低雷击浪涌危害的防护效果。

1 屋顶光伏发电系统的防雷保护

对于屋顶式光伏发电系统，雷电对其危害途径主要有以下三种[7-8]：雷电直击、高电位反击、电磁感应耦合。雷电直击：屋顶光伏组件处于暴露空间，且组件边框均为金属材质，雷电直接击中光伏阵列金属边框时，引起整个光伏组件的损坏。高电位反击：当屋顶光伏发电系统安装外部防雷装置时，一旦外部防雷系统遭受雷击，外部防雷装置因电位抬高，极易与光伏组件间发生电弧闪络。电磁感应：当雷击外部接闪装置或光伏阵列边框上，强大的瞬变电磁场会在电缆导体回路中感应产生很高的电势[12]。

屋顶光伏系统如果被安装在具有外部防雷装置的建筑物上，基本要求[13]是光伏设备要处于接闪装置的保护范围内，同时光伏组件与外部防雷系统之间的隔离距离必须大于安全距离[14]。但是现实情况中为了尽可能提高发电效益，常常无法实现安全隔离。因此，必须将光伏组件与外部防雷系统进行等电位连接，同时在直流电缆处安装SPD以保护逆变器防止雷电流侵入危害。图1给出了一个典型屋顶光伏发电系统防雷保护示意图[15]。

2 雷击浪涌仿真模型

2.1 雷电流模型

雷电流等效波形采用双指数函数波，具体表达式如式（1）所示[16]：

式中：I0为雷电流幅值；α和β分别为波头时间常数和波尾时间常数；kc为幅值修正系数，kc=mm/（m-1）/（m-1），其中m=β/α。

图1典型屋顶光伏发电系统防雷保护Fig.1 Lightning protection of typical roof-mounted photovoltaic power generation system

2.2 光伏发电系统模型

图2给出了图1所示的光伏防雷系统等效示意图。

图2 防雷系统等效电路模型Fig.2 Equivalent circuit of lightning protection system

雷电击中建筑接闪器后，由于光伏电池板边框与接闪系统相连，雷电流沿金属边框传播，单个光伏电池单元边框按多波阻抗模型考虑[17]，表1给出了光伏电池单元参数。

我国地表水资源丰富，近几十年来人口增长和经济快速发展对河流水体造成了严重的污染。河流水体是工业废水和生活污水的直接收纳水体，河流水体污染已成为一个事关公共安全和人类健康的重要社会问题，而水环境中对人类和生态系统威胁最大的是有机污染物。河流水体中的持久性有机污染物已在全国范围内得到充分证明，对城市水资源保护构成了巨大的挑战［13-14］。有机污染物可能会默默地吞噬中国有限的水资源，并对生态系统和人类健康造成持续的潜在危害［15］。

表1 光伏电池单元参数Table 1 Unit parameters of photovoltaic cells

光伏组件由12块光伏电池单元串联而成，具体排列方式如图1所示，电池单元通过电缆相互连接。电缆采用1kV聚氯乙烯绝缘护套电缆，电缆电阻与电感通过下式计算[18]：

式中，ρw为电缆电阻率；l为电缆线长度；rw为电缆线半径。电缆导线截面4 mm2，电阻率4.6×10-3Ω.m，绝缘层厚度1 mm，相对介电常数8，相对磁导率为1。

SPD采用氧化锌压敏电阻，在EMTP中采用非线性电阻表示，其电流与电压之间的关系服从下式关系[19]：

式中：ib为陡波电流，kA；p、q是常数；q的典型值为20～30；Uref为参考电压，通常解决压敏电阻额定电压。仿真时采用的SPD参考电压U1mA为715V，8/20μs-10 kA雷电流冲击下残压2.0 kV。

由于雷电流高频成分丰富，建立逆变器模型时主要考虑电容影响，等效模型如图3所示[17]。

图3 逆变器模型Fig.3 Equivalent model of the inverter

图3中端口电容Cp取500 pF，内阻Rs取0.01 Ω，电感Ls取0.05 mH。

3 仿真结果

3.1 电流与过电压

图4给出了30 kA雷电流冲击下流经引下线和直流电缆的雷电流，共用接地电阻4 Ω。雷电流波形2.6/50 μs，对应雷电流通道波阻抗800 Ω左右[20]。

图5给出了30 kA雷电流冲击下光伏阵列过电压和逆变器端口电位差。

通过图5可以看出，光伏阵列和逆变器端口过电压波形均呈衰减振荡特点，由于安装了SPD，光伏阵列和逆变器端口过电压都未超过其冲击耐受电压，得到了有效的保护。

3.2 雷电流幅值影响

图6给出了光伏阵列对地、逆变器对地和逆变器端口过电压幅值随雷电流幅值变化曲线。

图4 引下线与电缆分流Fig.4 Shunting of the down conductor and DC cable

图5 设备过电压波形Fig.5 Overvoltage waveform of equipment

图6 雷电流幅值对设备过电压影响Fig.6 Influence of the amplitude of lightning current on the overvoltage of equipment

由图6可以看出，随着雷电流幅值的增加，各设备过电压均呈现出上升趋势，光伏阵列对地过电压和逆变器对地过电压受雷电流幅值影响更为明显，逆变器端口过电压增加不是十分明显。根据雷电流幅值概率分布公式[16]，幅值超过100 kA的概率小于5%，在良好接地与SPD防护下，过电压不会对设备绝缘造成太大危害。

3.3 接地电阻影响

图7给出了30 kA雷电流冲击下光伏阵列和对地过电压幅值随接地电阻变化曲线。

图7 接地电阻对设备过电压影响Fig.7 Influence of grounding resistance on the overvoltage of equipment

从图7可以看出，接地电阻对设备过电压影响非常大，接地电阻阻值越大，设备过电压增加越明显。接地电阻超过10 Ω时，过电压便超过了光伏阵列和逆变器冲击耐受电压，对设备绝缘造成极大损坏，因此需要尽可能控制建筑共用接地电阻。

3.4 SPD保护模式

图8给出了引下线与直流电缆之间三种不同的SPD安装保护模式。

图8 SPD保护模式Fig.8 SPD protection modes

图9给出了三种保护方式下，光伏阵列对地、逆变器对地、逆变器端口过电压幅值。雷电流幅值30kA，接地电阻4 Ω。

图9 不同保护模式保护效果Fig.9 Protection effects of different protection modes

由图9可以看出，a、b、c三种保护模式下，光伏阵列和逆变器对地过电压幅值相差不大，均得到了较好的抑制，但是逆变器端口电位差相差较大，c类保护模式下逆变器端口过电压幅值最小。因此，不考虑费用情况下，c类保护模式能够取得最好的防护效果。

4 结论

介绍屋顶光伏发电系统雷击危害途径，利用EMTP软件建立等效电路模型，计算雷击建筑接闪器时光伏阵列和逆变器浪涌过电压，讨论雷电流幅值、接地电阻和SPD保护模式对雷击浪涌的防护效果，得到结论如下：

1）雷击建筑外部接闪器时，流经直流电缆的雷电流较小，引下线泄散了绝大部分电流。

2）光伏阵列和逆变器过电压幅值随着雷击电流幅值和接地电阻的增大而增加。

3）在直流电缆正极、负极与引下线之间均安装SPD能够取得最好的防护效果，逆变器端口电位差最小。

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