光伏电站逆变器接地异常及设备安全保护分析

明勇

（江苏林洋电力服务有限公司南京分公司，江苏 南京 210000）

前言：光伏效应最早发掘于19 世纪30 年代，起初只局限于理论研究层面，至20 世纪中叶，单晶硅太阳电池出现以后，光伏发电方向才正式被打通，后伴随科技环保理念的进步，发电组件不断更新，组网应用方式也更加多样。在我国，仅通过逐年上涨的光伏发电装机总量，就可以窥见其发展态势之迅猛，不过，尽管光伏发电优点良多，其接地安全问题仍需引起重视。

一、光伏电站及接地系统概述

与传统电能生产方式不同，光伏发电采用直接转换的方式，省略了中间的热过程，电能损耗降低，生产过程也更加清洁，太阳能电池、蓄电池是其主要的能量接收、存储装置，搭配控制器、逆变器等装置，共同完成电能供应。当前常见的光伏发电系统共有3 类，独立光伏发电系统最大的优势是能够满足离网运行需求，在边远、乡村地区较为常见；集中式并网系统中，设备体积较大，能够将由太阳能转换得到的电能集中并入电网系统，再由电网系统统一负责调配；分布式光伏发电系统中，储能装置体积更小，布局也相对分散，可以有效利用住户、商户屋顶、墙面等处的光照资源，建设过程便捷快速，应用十分广泛，本文主要以分布式光伏发电系统为例，研究其逆变器接地故障及设备安全防护策略。

分布式光伏发电系统结构规整，光伏组件是其主要组成部分，通常借助支架进行固定，安装时需要与地面保持一定夹角，以提升太阳能接收效率。经过一段时间的阳光照射后，组件会在光伏效应支持下，完成直流电压的生产过程，并遵循串并联的方式，与逆变器输入端建立联系。逆变器通过波形调制，发出适用于直流转换的PWM 斩波[1]，并最终将处理完成的交流电能送入配电箱，并入电网，完成整个电能供应流程。光伏电站接地系统设计是一个较为复杂的过程，由于光伏电站系统位置大多空旷、开阔，遭受雷击的风险相对较大，因此要科学确定防雷类别，以《建筑物防雷设计规范》为依据，进行针对性分析，对于直击雷来说，雷电通道中温度急剧膨胀，空气中水分受汽化效应限制，冲击机械力会呈现指数级上涨趋势，使周围建筑、设备遭受损伤，设计时应当从多角度展开防护。比如优化接闪器材质、布局，将建筑内部钢筋作为引下线，提升接地防护性能，在光伏方阵中，增设人工接地网等。

其次，闪电电涌侵入也是较为常见的危害，当雷击发生在线路附近时，剧烈的电流变化将会提升风险等级，导致交变磁场的产生，若附近存在金属导体，会进一步生成感应电流，这种电流沿着管线入侵，就会直接造成机房设备的损坏，严重时还可能造成人员伤亡。对于该种隐患，光伏电站建设过程中，应当选用屏蔽电缆，使其在线路两端形成电位连接。若工程限制，必须采用非屏蔽电缆，则要穿金属敷设，同时做好起始处、末端的接地防护。在汇流箱内部，也可以装设直流电涌保护器，注意审查装置的技术参数，额定冲击电流必须在12.5kA 以上。对于送出电路来说，隐患主要集中在变压器高压侧，可以借助避雷器完善接地系统，完成电涌电流的导出。

最后是雷击电磁脉冲，当雷击地点靠近建筑物时，电流会直接作用于防直击系统，过程中容易产生迅变电磁场，对周围电子设备产生不利影响，当周围存在光纤电站机房时，就会产生通讯、监控异常现象，导致设备失效。对于该种脉冲来说，防护措施主要针对机房设备，共有3 种不同思路可供选用，分别是屏蔽、等电位，以及综合布线，系统设计时，要以电流出入端为对象，统一设置等电位连接，对于机柜、金属管等构件，则要确保其与接地基准点相连，连接方式沿用最短路径，尽量避免电位差的产生。

二、光伏逆变器接地异常的影响

光伏电站系统规模较为庞大，处于屋顶、室外工作环境的部分较多，除太阳能光伏组件外，直流防雷汇流箱、直流配电柜都可能配备于室外，作为逆变器的前端系统，这些设备装置一旦遭受雷击等意外情况干扰，就很容易生成极端电泳电压，即使系统中已经装配有防雷器件，也很难完全规避高压风险，如果线路内电压在短时间内急剧升高，就可能破坏直流系统原有的绝缘防护，带来正负极侧的接地风险，使得逆变器发出异常告警。除天气影响外，绝缘材料本身质量、鸟兽啃咬线路、尘土潮气侵蚀等，均会导致绝缘性能降低或失效问题，引发逆变器故障异常。逆变器接地告警提示往往隐藏着较多信息，必须予以充分重视，否则将会造成极其严重的后果。

（一）影响系统正常运行

逆变器是光伏电站中关键的调整装置，主要由半导体器件构成，能够以光伏组件产生的直流电为原料，进行交流电转换，当直流电经由输入通道进入，回路会率先对其进行增压，当其满足直流电压后，进入逆变器桥式回路，以等价转换为原则，进一步变为交流电压。从原理上看，晶体管是其中的重要构件，通过重复操作开关元件，完成交流转化。当前伴随光伏电站规模的扩大，这种落后形式很难满足需求，高频脉宽调制技术进入研究视域，其可以在自动化思路之下，对正弦波两端的电压进行调制，使其按照一定规律变窄，波中央的电压则采用相反方式调制，使其电压宽度变宽，这样一来在半周期内部，开关元件就会始终面向统一方向，以统一频率动作，最终形成脉冲波列，经过滤波器处理后，就会产生正弦波，完成交流电转化。可以说逆变器直接关系着光伏电站的正常运行，一旦其发生故障，整个电站都将面临无法运行的困境，从而给电站带来经济财产损失。

（二）阻碍绝缘阻抗检测

在光伏电站中，逆变器不仅是重点防护对象，还是开展接地检测的重要主体，它可以直接检测光伏组件正负极，判断其接地绝缘阻抗参数是否在正常范围内，以UPVmax 除以30mA 为标准，如果测得的直流绝缘电阻小于该数值，非隔离逆变器就应当显示异常，并对该线路接入电网的行为进行限制。其检测功能主要建立在不平衡电桥法原理基础之上，以绝缘正负极为检测对象，将其阻抗Riso+、Riso-作为电桥的一端，测量电阻R1、R2、R3 作为电桥的另一端，在不同运行条件下，对R3 两端进行分压测量，得到绝缘阻抗值，将之与限定值比较，就可以判定绝缘电阻实际状况。假设组件正极为Uoc+，负极则为Uoc-，K1 代表测试继电器，Uiso 则代表测量电压，取正负极中心点，设为PE。将上述检测电阻R1、R2 与中心点相连接后，操作继电器启闭按钮，分别得到计算值，当逆变器存在异常，就相当于其中某段支路发生断连，不平衡电桥回路难以成型[2]，直接表现为R3 两端电压异常，致使绝缘阻抗计算出现较大偏差，阻抗检测失效。

（三）增加安全事故风险

从前述分析中可以发现，当逆变器发生接地故障，会丧失阻抗检测的能力，而分布式光伏电站中，组件数量众多，一旦正负极出现接地异常，逆变器很容易与继电器发生吸合问题，扩大到电站所连接的电力网络中去，借助输出电感，经由逆变桥体二极管完成故障扩散，当负极接地时，故障主要作用于三相电压负半周期，并在负半周期内部形成独立回路[3]；当正极接地时，故障则主要集中于正半周期，同样形成几个相互独立的回路。根据欧姆定理，对于交流电网来说，电压负半周期的电流有最大额定值，计算公式为：Idmax=Uacpeak/ωL。假定在20kW 并网中，设定电压为380V，输出滤波电感设为1mH，其额定电流应当为30.3A，计算后发现，最大电流值大约为990A，与额定电流相比，呈几十倍的关系，很容易使逆变器出现过流炸机的事故，危害电网安全。

三、光伏电站逆变器设备安全保护策略

（一）优化选型应用

逆变器在光伏电站中具有极高的应用价值和地区，其本身性能、质量与电站运行效率、接地故障预防有较大联系，集中式逆变器、组串式逆变器应用均十分广泛，前者单位功率成本较低，在集中管理场景中，具有较强的应用优势，但直流部分系统较为复杂；后者输出功率相对较高，即使没有直流汇流箱、配电柜等装置的支撑，也可以完成转换任务，发生接地故障时，影响会相对较小，但单位功率成本较高，并联超过40 台以上，还可能导致总谐波过高的问题，选型时要做好针对性分析，分布式光伏发电系统中，组串式逆变器要相对适用，对接地故障的适应性也相对较高。

（二）增设预判支路

逆变器接地故障危害较大，可能导致电网短路、设备过流等状况，导致安全事故的发生，考虑到直流电流并不通过IGBT，即使封锁斩波脉冲，也无法达到设备防护的目的，而分段接触器在运行过程中，可能存在几十毫秒的延迟，同样很难达到有效防护。基于此，本文推出一种新型保护方案，即增设预判支路，支路中应当包含继电器与电阻，在逆变器与系统继电器发生联系之前，支路继电器会先发挥作用，以电流为依据对接地异常状况进行筛查，若发现异常现象，则发出声光告警，并禁止相关设备启动；若接地结果显示良好，则允许通过电流，执行正常的启动流程。为避免电阻过大引起不必要的损耗，选型时应当予以充分关注，对于流经IGBT，同时反并联二极管的电流来说，不能超过最大输出电流，即Idmax 要小于等于Uacpeak/R。假设应用场景为20kW 并网，电压设定为380V，其逆变器的接地系统中，预判支路电流应当有上限值，最大不超过30A，电阻的选择就必须保持在10Ω 以上。

结论：综上所述，造成逆变器接地故障的因素众多，雷击、绝缘破损等均可能导致接地异常，一旦异常状况出现，逆变器绝缘阻抗检测功能将面临失效，还可能导致设备过流炸机，后果十分严重，技术人员应当对其异常提示给予充分重视，立足光伏电站运营实际，优化逆变器选型应用，同时可尝试通过增设预判支路的方式，加强设备安全防护，提升电网运行安全性。