基于PSCAD的独立光储微电网雷电感应过电压防护研究

金 耀,许 健

(1.国网安徽省电力有限公司,合肥,230000; 2.国电南瑞科技股份有限公司,南京,210000)

0 引言

当前能源日益枯竭、气候环境变化日益复杂,太阳能、风能等可再生能源在全球得到大规模地推广应用[1-2]。光伏发电虽然具备可再生、无污染等优点,仍然面临可靠性、稳定性差等问题[3]。储能系统能够动态吸收能量并适时释放,弥补光伏电站发电的间歇性、波动性缺点[4-5],稳定光伏系统输出电压,二者经常配套使用从而将分布式电源以微电网形式运行[6]。独立光储微电网不与公共电网系统相连,处于孤立运行状态,多用于对边远农村、边防哨所或者海岛等地[7]供电,是解决边远无电地区分散电力需求的的重要方式,但因其所处自然环境一般较为恶劣,十分容易遭受雷电灾害威胁[8-9]。

目前对于并网光伏电站的雷电防护,相关学者通过试验[10-11]和仿真[12-15]等手段进行了大量研究,但对独立光储微电网的雷电防护研究稍显不足,缺乏对与储能装置结合使用等情形的分析。此外,光伏电站电气线缆多采用埋地敷设方式,因而忽视了对电缆雷电感应过电压危害的研究。实验观测[16-17]表明,在附近地表发生雷击情况下,埋地电缆仍有可能感应产生过电压,过电压会沿着线路侵入逆变器、汇流箱等发电装置、储能装置,造成设备损毁[18],因此有必要对独立光储微电网系统雷电感应过电压防护进行详细分析。基于理论推导的线路雷电感应过电压计算精度不高,FDTD、MOM、FEM等数值计算方法[19]计算精度较高,但无法模拟电站内部实际电路结构,可以通过EMTP、PSCAD等电磁暂态仿真软件搭建光伏电站模型,嵌入代码[20]计算雷电感应过电压解决这个困难。

本研究利用PSCAD软件搭建包括光伏发电装置、储能装置在内的独立光储微电网仿真电路模型,利用编程计算埋地电缆雷电感应过电压,分析感应过电压在系统内不同部位的耦合特性和传递特点,讨论安装SPD的防护效果,为独立光储微电网的雷电感应过电压防护提供一定参考。

1 独立光储微电网

图1给出了一个典型的独立光储微电网发电端拓扑结构示意图。

图1 独立光储微电网总体拓扑结构示意图Fig.1 Topology diagram of the independent microgrid equipped with the photovoltaic and energy storage system

独立光储微电网发电端主要包含光伏发电系统、储能系统、充电控制系统、逆变器和箱变[21]。光伏组件利用太阳能产生电能;储能系统将光伏发电产生多余电能转换为化学能形式储存起来;充电控制系统是用来控制蓄电池的充放电过程,在光伏组件发电过剩的时候控制蓄电池储存电能,在用电负荷高峰时段光伏发电不足的时候将存储的电能释放满足用电负荷需求,逆变器将直流电转化为交流电,箱变对逆变器产生交流电进行就地升压,送至场内开关站或升压站相应进线柜。独立光储微电网主要运行模式为离网模式,储能系统作为主电源建立电压和频率,保障用电系统的正常运行。

2 仿真模型

埋地电缆雷电感应过电压计算可以分为两大步骤,第一步是根据回击模型和电磁场传播模型计算通道周围雷电电磁场,第二部是利用场线耦合模型求取电缆感应过电压。

2.1 雷电电磁场计算模型

图2给出了埋地电缆所处地下雷电电磁场计算示意图。

图2 埋地电缆雷电电磁场计算示意图 Fig.2 Schematic diagram of lightning electromagnetic field on the buried cable

回击模型采用改进传输线模型(MTLE),通道内雷电流随着高度的上升而呈指数衰减特征。任一时刻t、任一高度z处的通道电流表达如下[20]:

i(z,t)=i(0,t-z/v)e-z/λ

(1)

式中,i(0,t)为回击通道基电流函数,v为回击传播速度,λ为与高度有关的电流衰减系数。

回击通道基电流采用Heidler函数模型描述,具体表达如下[20]:

(2)

式中,I0为回击电流幅值,τ1和τ2分别为电流波形波前时间常数和半峰值时间,常数n为电流陡度系数。

Uman等人利用偶极子法推导得到径向磁场的时域表达如下[22]:

(3)

Cooray等人考虑了大地对雷电电磁场的影响,给出了地面处水平电场的时域表达,其一阶近似的C-R方程如下[23]:

(4)

式中,Er(t,r,0)为地面处水平电场,Bφ(r,0,t)为地面处径向磁场。

根据相关研究[24],地下水平电场与地面处水平电场存在如下关系:

Er(jω,r,-d)=Er(jω,r,0)e-γgd

(5)

式中,d为深度,Er(jω,r,0)为地面处水平电场的频域表达。

对式(5)进行傅里叶变化,可得时域表达如下:

(6)

2.2 场线耦合模型

目前较为常见的场线耦合模型包括Taylor模型、Agrawal模型和Rachidi模型,Nucci等人[22]通过比较认为Agrawal耦合模型最为精确。根据Agrawal模型,长度为L,埋深为d的埋地电缆,在外来场作用下感应电流和感应电压的频域耦合方程如下[22]:

(7)

Z′和Y′计算公式如下:

(8)

(9)

式中,L′、C′、G′分别为电缆单位长度纵向电感、横向电容和横向电导:

(10)

(11)

(12)

式中,r2和r1分别为电缆外半径和内半径,σi和εri分别为电缆绝缘层电导率和相对介电常数。

(13)

(14)

(15)

运用傅里叶逆变换将式(7)给出的频域耦合方程转化为时域方程并将卷积积分展开可得[22]:

(16)

(17)

式中,τg=r22μ0σg。

假定某段电缆两端的坐标分别为x1、x2(x1

(18)

式(18)可以通过诺顿等效电路实现,受控电流源数值按下式计算[26]:

(19)

根据式(19)在PSCAD软件中搭建出感应过电压等值计算电路,如图3所示。

图3 感应过电压计算等值电路模型Fig.3 Equivalent calculation circuit of lightning induced overvoltage

输入电缆结构、雷电流、雷击点方位、回击模型等初始参数,调用封装子程序模块进行分段计算,计算每段电缆电气参数、雷电电磁场、相模变换参数,再调用电缆、SPD等现有元件模型,将分段模块按实际情况连接,完成埋地电缆感应过电压的仿真计算。仿真中计算过程中忽略电缆集肤效应和位移电流影响。图4给出了PSCAD中完整的埋地电缆雷电感应过电压计算过程模型[26]。

图4 PSCAD雷电感应过电压计算模型Fig.4 Calculation model of lightning induced overvoltage in the PSCAD

2.3 独立光储微电网模型

以某驻地独立光储微电网为例,图5给出了系统接线框图[27],由于主要分析的是雷电感应过电压再系统中的传递特性,因此仿真中只考虑系统核心元部件。

图5 独立光储微电网系统接线框图Fig.5 Block diagram of the independent microgrid equipped with the photovoltaic and energy storage system

光伏系统发电峰值容量为50 kWp,光伏电池单元采用单晶硅光伏电池,型号DSPV800-240WP,单列串联16块光伏电池单元,整个阵列17列支路并联。逆变器采用DMPV-S7/50K3型并网逆变器。储能系统选用50 kW/300 kWh电池储能装置,电池部分采用额定能量为300 kWh磷酸铁锂(LFP)电池。光伏电缆采用PV 1-F 1x4 mm2型号,电力电缆型号为ZRC-YJV22-0.6/1 kV。表1给出了光伏储能系统相关电气性能参数[27-28]。

表1 独立光储微电网系统电气参数Table 1 Electrical parameters of the independent microgrid equipped with the photovoltaic andenergy storage system

图6给出了独立光储微电网系统主要部件仿真电路模型图[27-28]。

图6 光伏发电系统及储能系统等效模型电路图Fig.6 Circuit diagram of photovoltaic power generation system and energy storage system

仿真中,逆变器主要由H桥、变压器和LC滤波器构成[27],储能电池通过采用超级电容器实现电能的存储与释放,PCS模块中储能变流器利用切换双向变换器控制升降压的状态[28]。

3 仿真结果分析

3.1 正常情况下输出

图7给出了正常情况下独立光储微电网输出特性。

图7 独立光储微电网输出特性Fig.7 Output characteristic waveforms of the independent microgrid equipped with the photovoltaic and energy storage system

从图7可以看出,光伏发电系统启动至稳定状态后,输出电压保持在600 V上下波动,处于并网逆变器的工作电压范围内,逆变器输出正弦电压波形,储能系统充电电压逐渐上升达最大值后下降至稳定值,微电网不同位置的输出与预期一致,符合运行要求。

3.2 雷电感应过电压

图8给出了独立光储微电网附近地面遭受雷击后,光伏阵列、储能电池、逆变器和箱变前端波形。仿真中,落雷点位于光伏阵列、储能系统和逆变器直流侧之间,距电缆水平距离为100 m,电缆长20 m,埋深0.5 m。基电流波形参数采用CIGRE推荐值[29],波前时间3.83 μs,半峰值时间77.5 μs,幅值31.1 kA,回击传播速度为1.3×108m/s,电流衰减系数取2 km。

图8 逆变器直流侧附近遭受雷击后系统输出波形Fig.8 Output characteristic waveforms of the independent microgrid when lightning stroke near the DC inverter

图8表明,当逆变器直流侧附近遭受雷击时,电缆感应产生过电压,呈现较为明显的衰减震荡特征,这主要是由于电缆首末两端阻抗不匹配引起过电压波的折反射和电缆阻抗及绝缘材料导致的传播能量损耗[19]。浪涌传递至光伏组件输出端,过电压峰值接近4 kV,会对光伏阵列造成严重损坏。同样,储能系统产生的过电压远超出系统可接受充电电压范围,不采取防护措施极易造成爆炸风险。逆变器交流侧、箱变前端未受影响,未耦合产生过电压,这主要是设备进行了等电位连接和接地,给过电压提供了一条低阻抗传播路径,从而阻断了过电压经由直流侧向交流侧的传播。

图9给出了当雷击发生在逆变器交流侧和箱变之间时,光伏阵列、储能电池、逆变器和箱变前端波形。落雷点距电缆水平距离为100 m。

图9 逆变器交流侧附近遭受雷击后系统输出波形Fig.9 Output characteristic waveforms of the independent microgrid when lightning stroke near the AC inverter

图9可以看出,当逆变器交流侧附近发生雷击时,电缆感应产生的过电压对逆变器交流侧输出和箱变前端波形都有影响,而系统直流侧输出保持不变。逆变器交流侧和箱变前端耦合产生较高幅值过电压,极易造成设备绝缘损坏。

3.3 埋地电缆影响

表2和表3分别给出了落雷点位于光伏阵列和逆变器直流侧之间、落雷点位于逆变器交流侧与箱变之间时,不同连接电缆长度和埋深下独立光储微电网系统主要部件过电压。

表2 不同电缆长度、埋深下光伏阵列与储能电池过电压幅值Table 2 Overvoltages of the PVarray and battery energy storage under different cable lengths and buried depth

表3 不同电缆长度、埋深下逆变器与箱变过电压幅值Table 3 Overvoltages of the inverter and prefabricated transformer under different cable lengths and buried depth

分析表2和表3可以看出,随着电缆埋深的增加,光储微电网系统主要部件感应过电压幅值均呈下降趋势,这主要是由于电缆埋得越深,土壤对入射电磁场高频分量的衰减越厉害。电缆长度的增大导致光伏阵列过电压降低,储能电池和箱变前端过电压增加,对逆变器交流侧过电压则影响不大。这是因为电缆长度的增加,光伏阵列连接电缆电路中阻性成分更大,主要考虑其传输线效应带来的衰减,但处于工作状态的储能电池和箱变分别呈现较为明显的容性特征和感应特征,容性负载、感性负载与电缆阻抗之间存在谐振影响[19],引起过电压的升高。由于逆变器、储能系统等设备内部低压电路控制模块冲击耐受电压大多不超过1 kV,极易被过电压损毁,因此安装SPD十分必要。

3.4 SPD防护

考虑在逆变器交流侧和箱变前端安装SPD,仿真中采用非线性电阻模拟SPD限压特性,其伏安特性通过下式拟合[30]:

U=kiα

(20)

式中:i为流经SPD电流;U为SPD残压,常数k和α经由产品电气参数拟合而得。仿真中SPD最大持续工作电压385 V,通流容量20 kA,参考电压U1mA为620 V,10 kA雷电流冲击下残压Ures为1.8 kV。

图10给出了逆变器交流侧与箱变前端安装SPD后过电压波形。雷击点位于在逆变器交流侧和箱变之间时,距电缆水平距离为100 m。

图10 安装SPD后逆变器与箱变过电压波形Fig.10 Overvoltages of the inverter and prefabricated transformer after installing the SPD

通过图10可以看出,安装SPD后,逆变器对地过电压和箱变前端过电压得到明显抑制,均未超过1 kV。同样,当雷击点位于在光伏阵列、储能系统和逆变器直流侧之间时,在光伏阵列、储能电池前端安装SPD后,设备过电压也未超过1 kV,说明安装SPD能够实现对内部电气电子元件的有效保护。

4 结论

本研究利用PSCAD搭建独立光储微电网仿真电路模型,分析电缆雷电感应过电压在系统内的传递特性,得到如下结论:

1)当独立光储微电网直流侧发生雷击时,电缆耦合产生较高幅值过电压,感应过电压传递至光伏阵列和储能系统,交流侧设备不受影响,交流侧发生雷击时,电缆感应过电压传递至逆变器交流侧和箱变前端,直流侧设备不受影响;

2)随着电缆埋深的增加,传递至独立光储微电网系统主要部件感应过电压逐渐降低;

3)光伏阵列与逆变器、逆变器与箱变间连接电缆长度的增加导致光伏阵列过电压降低,储能电池和箱变前端过电压增加,对逆变器交流侧过电压则影响不大;有必要在系统主要部件前端安装SPD以有效遏制感应过电压,保护设备免遭损坏。