光伏電站中箱式變電站對低壓防雷器的要求

孫紅雨，韓 源，萬心一，劉 星

(1.中國電建集團西北勘測設計研究院有限公司，西安 710065;2.中國能建集團陜西省電力設計院有限公司，西安 710032)

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光伏電站中箱式變電站對低壓防雷器的要求

孫紅雨1，韓 源1，萬心一2，劉 星1

(1.中國電建集團西北勘測設計研究院有限公司，西安 710065;2.中國能建集團陜西省電力設計院有限公司，西安 710032)

非晶硅薄膜電池的負極接地設計在光伏發(fā)電系統(tǒng)中非常重要，文章根據(jù)非晶薄膜電池對地負偏壓時腐蝕較大的缺點，論述了與非晶薄膜電池相配合的逆變器直流側負極需接地的主要原因。根據(jù)逆變器負極接地時電壓的特點，得出結論：箱式變電站低壓側防雷器耐壓須大于逆變器的直流輸入電壓與輸出相電壓峰值之和。

光伏發(fā)電；非晶硅薄膜電池；逆變器接地；防雷器耐壓

0 前 言

光伏發(fā)電作為一種可再生的清潔能源，已成為發(fā)電系統(tǒng)的重要組成部分[1-3]。大規(guī)模并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)的產生使太陽能在發(fā)電領域的利用成為可能。也因此成為科研院所和各高等院校研究的熱點[4]。由于光伏發(fā)電是利用可再生的太陽能且無大氣污染和放射性污染。所以，大規(guī)模并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)具有很好的應用發(fā)展前景[5-6]。

非晶薄膜電池是光伏發(fā)電系統(tǒng)中最重要的組成部分。其自身有一些顯著的特點，而負極接地就是其中一個很重要的特點，因此有必要對逆變器負極接地的原因以及對與之配合的箱式變電站低壓側電壓產生的影響進行充分的分析了解。

本文著重分析了非晶薄膜電池相匹配的逆變器直流負極接地的主要原因以及逆變器負極接地時箱式變電站低壓側防雷器電壓的特點。以期對光伏電站中箱式變電站低壓側防雷器的選擇及要求提供參考的依據(jù)。

1 薄膜電池的工作原理及特性

1.1 薄膜電池的工作原理

在相同受光面積情況下，非晶薄膜電池和硅晶太陽能電池相比較，可減少硅原料的使用量[7-8]。因此，非晶薄膜電池被公認為是目前最具發(fā)展?jié)摿Φ奶柲馨l(fā)電技術[9-11]。

非晶薄膜電池，光吸收和能量轉換的主要結構是半導體PN結面。在電池基板表面上分別涂有具備2種不同導電性能的P型半導體和N型半導體。當太陽光照射在PN結面上，部分電子產生了定向移動，因此獲得了足夠的能量離開原子變?yōu)樽杂呻娮?，失去電子的原子就會產生空穴[12]。透過P型半導體和N型半導體分別吸引空穴和電子，把正電及負電分開。因此，在PN結兩端面上就會產生電位差。

非晶硅薄膜電池的工作原理如圖1所示。

圖1 薄膜太陽能電池的原理圖

非晶薄膜電池是一種具有典型結構的薄膜電池，其薄膜材料是非晶態(tài)的硅[13-14]。非晶薄膜電池的發(fā)電原理與硅光電池的發(fā)電原理基本一致。其結構是在導電透明玻璃(TCO)上沉積一層摻雜的N型非晶硅，厚度約為20～40 nm。然后在N層之上沉積一層厚度約為500 nm的分摻雜的本征層，最上面是15～30 nm的摻雜P型非晶硅。

1.2 非晶硅薄膜電池的優(yōu)缺點

(1) 非晶薄膜電池之所以受到廣泛的關注和重視，該產品具有以下優(yōu)點

1) 非晶硅的光吸收系數(shù)很高，在0.3～0.75 μm的可見光范圍內，其吸收系數(shù)比單晶硅要高出很多。

2) 非晶硅無晶體所必須要求原子周期性的排列，所以可以不必考慮制備晶體所考慮的材料與襯底間晶格失配的問題。因此，可以說非晶硅可以淀積在包括廉價玻璃的任何襯底上，且可以實現(xiàn)大范圍生產。

(2) 非晶硅薄膜電池的缺點

1) 漏電流

電池的表面積越大，電池單元與框架之間距離也就越近，同時對地電容也就越大，其漏電流也就越大。非晶薄膜電池單元通常都是裱好在金屬貼箔上，金屬貼箔表面積大且很薄。因此，其對地電容較大，漏電流也會比較大。

2) TCO腐蝕

通過分析可以發(fā)現(xiàn)，當非晶薄膜電池對地有負偏壓時，對電池的腐蝕比較大。負偏壓越大其腐蝕性就越大。因此，在光伏電站設計中非晶薄膜電池必須采用負極接地的方式[15]，從而控制負偏壓，減少腐蝕。

2 箱式變電站低壓防雷器的選擇

并網(wǎng)光伏發(fā)電站主要由電池組件、匯流箱、并網(wǎng)逆變器及箱式變電站組成，其結構如圖2所示。

圖2 光伏電站結構圖

現(xiàn)階段已經應用的光伏電池主要是非晶硅薄膜電池。非晶硅薄膜電池由于其本身的結構及封裝材料的影響，在使用中會發(fā)生電池本身腐蝕的現(xiàn)象，為減緩薄膜電池的腐蝕現(xiàn)象，須將與薄膜電池相匹配的逆變器直流負極接地。如圖3所示。

圖3 逆變器直流負極接地示意圖

箱式變電站的低壓側繞組呈電壓源特性，其等效為Uga、Ugb、Ugc，變壓器中性點不接地，但是存在較大的對地等效阻抗，如圖3中Z所示。UN為變壓器中性點對地電壓。為便于分析圖3中變壓器低壓側等效為Y形連接。設三相橋臂的開關函數(shù)分別為Sa、Sb、Sc，則逆變橋臂的中點電壓：

(1)

(2)

(3)

分別列出PV電池板負極對地到A相回路電壓方程：

(4)

同理可列出b、c相與PV電池的回路電壓方程:

(5)

(6)

聯(lián)立式(4)、(5)、(6)可得：

(7)

在對稱系統(tǒng)中：

(8)

即使電網(wǎng)不對稱或逆變器參數(shù)不對稱，則式(8)為工頻成分，對共模電壓影響不大。因此式(7) 可簡化為：

(9)

由于逆變器負極接地，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相承受電壓為：

(10)

(11)

(12)

由式(10)、(11)、(12)可知，箱式變電站低壓側防雷器所承受的電壓為直流側母線電壓與相電壓峰值之和。

為驗證理論分析的正確性，圖4、5為PV接地時的仿真波形，仿真時直流母線電壓為650 V，相電壓為181 V，通過仿真波形可見理論分析的正確性。

通過仿真計算結果可知，若變壓器低壓側有防雷器，則防雷器的耐壓須大于逆變器的直流輸入電壓與輸出相電壓峰值之和。

圖4 PV接地時箱變低壓側防雷器承受的電壓圖

圖5 PV接地時箱變低壓側每相防雷器承受的電壓圖3 結 語

通過以上的分析，并結合各地已建成的應用非晶薄膜電池的光伏電站項目。通過了解電站的運行情況，可得到以下結論：

(1) 為了達到非晶薄膜電池減少漏電流和降低TCO腐蝕的目的，電站設計應該采用薄膜電池相匹配的逆變器直流負極接地方式。

(2) 當逆變器負極接地時，從逆變器的輸出側到箱式變電站低壓側的整個回路中，將A、B、C三相與地相接的器件承受的電壓為輸入直流母線電壓與輸出相電壓峰值之和。所以，箱式變電站低壓側防雷器耐壓須大于逆變器的直流輸入電壓與輸出相電壓峰值之和。

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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

孫紅雨(1982- ),男,遼寧省盤錦市人,工程師,從事新能源電氣設計工作.

TM615

A

10.3969/j.issn.1006-2610.2016.05.019