光伏發(fā)電系統(tǒng)低壓浪涌保護器的選擇

何朝陽，邱 晶，沈嘉驥，韓曉員，徐殿飛，戴 軒

（蘇州愛康能源工程技術(shù)股份有限公司，張家港215600）

1 引言

光伏發(fā)電主要是通過光伏電池將吸收到的光能轉(zhuǎn)化為直流電能，直流電能通過逆變器轉(zhuǎn)化為交流電能送上電網(wǎng)[1]。光伏電站一般都建在屋頂或是邊遠山區(qū)，相對地勢較高，在雷雨天氣多發(fā)的地區(qū)容易遭受閃電而導(dǎo)致設(shè)備損壞。另外光伏發(fā)電系統(tǒng)中運用了大量的精密設(shè)備，像逆變器、控制器和監(jiān)控設(shè)備等耐壓水平低，雖然裝置在屋內(nèi)，但是連接的電子線路卻容易遭到感應(yīng)雷過電壓及操作過電壓的入侵，導(dǎo)致內(nèi)部電子設(shè)備的損壞[2-3]。對感應(yīng)雷的防護一般采用浪涌保護器（SPD）來實現(xiàn)。

光伏電池板與其接地金屬邊框之間長期存在一個負(fù)高壓，在這個負(fù)高壓的作用下，玻璃、封裝材料之間存在漏電流，大量電荷聚集在電池片表面，使得電池表面鈍化效果惡化，導(dǎo)致光伏電池性能持續(xù)衰減的現(xiàn)象，業(yè)內(nèi)稱之為電位誘導(dǎo)衰減（PID）。試驗表明，光伏電池衰減的速度不但與環(huán)境溫度、濕度、污染程度有關(guān)，也與玻璃以及EVA等封裝材料有關(guān)。PID效應(yīng)對光伏發(fā)電系統(tǒng)發(fā)電量的影響極為明顯，逆變器主流設(shè)備廠家在逆變器側(cè)增加了一種功能模塊作為減弱PID效應(yīng)的措施?？筆ID模塊的采用，改變了電路的結(jié)構(gòu)，會造成交流電壓低壓側(cè)對地電壓的變化[4-5]。

據(jù)調(diào)查，在西部對老的光伏電站進行抗PID改造時，忽略了因電路結(jié)構(gòu)的變化與設(shè)備上原已安裝的SPD不匹配這個問題，造成運行一段時間后出現(xiàn)SPD發(fā)熱損壞嚴(yán)重的現(xiàn)象。研究試從原理上就SPD選型、抗PID工作原理，以及根據(jù)電氣的絕緣和配合原則對SPD器件的選型做出說明。

2 分類及技術(shù)參數(shù)

2.1 分類

浪涌保護器按元件性質(zhì)分類：開關(guān)型、限壓型、組合型[6]。

(1)電壓開關(guān)型SPD

無電涌出現(xiàn)時為高阻抗，當(dāng)出現(xiàn)電壓電涌時突變?yōu)榈妥杩?。通常采用放電間隙、充氣放電管、閘流管和三端雙相可控硅元件,也稱“短路型”SPD。

(2)電壓限制型SPD

沒有電涌時具有高阻抗，但隨著電涌電流和電壓的上升，其阻抗跟著連續(xù)變小。通常采用壓敏電阻、抑制二極管等元件，也稱作“箝壓型”SPD。

(3)組合型SPD

由電壓開關(guān)型元件和電壓限制型元件組合而成，其特性隨所加電壓的特性可以表現(xiàn)為電壓開關(guān)型、電壓限制型或兩者皆有。

2.2 技術(shù)參數(shù)

標(biāo)稱電壓Un：與系統(tǒng)的額定電壓相對應(yīng)，指系統(tǒng)的交流電壓有效值或直流電壓。

最大持續(xù)工作電壓Uc：可持續(xù)加于電氣系統(tǒng)電涌保護器保護模式的最大方均根電壓或直流電壓；可持續(xù)加于電子系統(tǒng)電涌保護器端子上，且不致引起電涌保護器傳輸特性降低的最大方均根電壓或直流電壓。最大持續(xù)工作電壓Uc也稱為SPD的額定電壓。

雷電沖擊電流Iimp:由電流幅值Ipeak、電荷量Q和比能量W/R所限定，特征電流波形為10/350μs。

標(biāo)稱放電電流In：流過SPD具有8/20μs波形的電流峰值，也稱額定放電電流。

最大放電電流Imax：電涌保護器能夠安全泄放的8/20μs波形的電流峰值。Imax值應(yīng)該大于In的值。

電壓保護水平Up：表征SPD限制接線端子間電壓的性能參數(shù)，其值可從優(yōu)選值的列表中選擇。該值應(yīng)大于限制電壓的最高值。

3 原理分析

3.1 集中式逆變器電路拓?fù)?/h3>

集中式逆變器的設(shè)備功率在50KW到630KW之間，功率器件采用大電流IGBT，系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)采用DC-AC一級電力電子器件變換全橋逆變，工頻隔離變壓器的方式，其中集中式逆變器的DC-AC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 集中式逆變器的DC-AC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖

由圖1知，設(shè)負(fù)載中心點N與直流電源假想中心點N′之間的電壓為，則負(fù)載各相的相電壓可以由下式求出。

圖2 的波形圖

在圖1中，C1、C2分別為光伏系統(tǒng)正、負(fù)匯流極對大地的分布電容，U1、U2為C1、C2電容兩端電壓，則U2=Ud×C1/（C1+C2）；一般C1、C2電容值近似相等，則U2=Ud/2，匯流極負(fù)極對大地之間的電壓為-Ud/2；由于匯流極負(fù)極和光伏組件中的電池板負(fù)極電力電纜直接連通，光伏組件金屬邊框與大地通過接地導(dǎo)線連通，這樣電池板負(fù)極和金屬邊框之間長期存在一個負(fù)高壓，該數(shù)值等于-Ud/2；正是由于這個負(fù)電壓加劇了PID效應(yīng)。

為了消除這個負(fù)壓，比較直接的方式是光伏匯流極負(fù)極接地，每個光伏電池組串電池板負(fù)極與組件邊框之間的電壓為非負(fù)，這從抗PID原理上是可行的[7-8]。這種方案只適用于隔離型光伏逆變器，但有兩個弊端：1、光伏匯流極負(fù)極直接接地，系統(tǒng)直流電壓加在光伏匯流極正極與大地之間，觸碰正極有觸電的危險；2、如光伏匯流正極出現(xiàn)絕緣下降，容易產(chǎn)生電弧，引發(fā)火災(zāi)事故。

3.2 虛擬接地方案

利用虛擬接地方案，可以消除光伏組件對大地的負(fù)壓。此方案通過抬升N點對地電位，間接改變光伏組件負(fù)極對地電位，使得光伏組件負(fù)極對地電位稍高于0，以實現(xiàn)抗PID的功能。加入抗PID模塊的集中式逆變器的DC-AC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 加抗PID模塊的集中式逆變器的DC-AC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖

如圖3所示：電容C3、C4（兩者容量相同）為逆變器直流母線之間的薄膜電容，在負(fù)載中性點N與大地之間偏置一個幅度可調(diào)直流偏置電壓源DC，DC極性為上正下負(fù)。顯然，N′對直流匯流負(fù)極的電壓為Ud/2；通過N點對地電壓的偏置，則N′對地電壓UN'E=±Ud/6+UDC；匯流極負(fù)極對地電壓最小值Umin為：Umin=UDC-2/3Ud；匯流極負(fù)極對地電壓最大值Umax為：Umax=UDC-Ud/3。顯然如 UDC≥2/3Ud，則 Umin≥0；亦即切斷了因負(fù)壓而產(chǎn)生PID現(xiàn)象的渠道，由于UDC輸出電壓可以調(diào)節(jié)，故方案可以方便的實現(xiàn)。

4 光伏發(fā)電系統(tǒng)選用SPD注意事項

光伏逆變器的逆變橋為大功率半導(dǎo)體器件，具有非線性的特點，逆變器為防止橋路上下臂直通造成設(shè)備損壞，功率器件的驅(qū)動脈沖插入了死區(qū)時間；所以逆變器交流輸出波形對地諧波含量相對較大。故選用SPD以下幾條需要注意。

(1)應(yīng)避免使用開關(guān)型產(chǎn)品，直流續(xù)流不宜關(guān)斷。

(2)交流側(cè)應(yīng)避免使用限壓型產(chǎn)品。

(3)考慮到SPD的性能退化或壽命結(jié)束后可能產(chǎn)生短路故障對系統(tǒng)運行的影響，應(yīng)在SPD前裝設(shè)過電流保護器或SPD內(nèi)部的脫離器。

(4)為監(jiān)視SPD的老化和運行狀態(tài)，SPD宜帶有有老化顯示及過載熱分?jǐn)嘌b置和失效指示功能，一般采用監(jiān)控輔助觸頭的SPD。

光伏系統(tǒng)用SPD宜采用的結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 光伏系統(tǒng)SPD宜采用的結(jié)構(gòu)

該結(jié)構(gòu)特點如下：

(1)采用混合式結(jié)構(gòu)，充分利用GDT無漏流、寄生電容小的特點，徹底避免諧波對MOV的影響；

(2)有雷擊浪涌時，GDT擊穿，GDT的電壓降到70V左右，剩余電壓加到MOV上，MOV導(dǎo)通，形成泄放通道，泄放雷電流；

(3)雷擊浪涌消失后，MOV不能維持導(dǎo)通而截止，GDT因沒有維持電流而截止，SPD截止，有效避免工頻續(xù)流現(xiàn)象;

(4)無雷擊浪涌時，電壓全部加在GDT上，MOV不受電應(yīng)力，MOV老化壽命更長，SPD的實際使用壽命得到有效延長;

(5)較低的諧波電流（通過SPD對地）：有諧波時混合式結(jié)構(gòu)的漏電流只有5μA；同比未串聯(lián)間隙的壓敏電阻諧波電流減小600倍。減輕了因長期漏電流過大造成SPD發(fā)熱而降低使用壽命。

5 光伏系統(tǒng)SPD性能選型及配合性原則

SPD性能選型主要包括：電壓的保護水平、電涌電流、最大持續(xù)工作電壓Uc、系統(tǒng)故障引起的暫時過電壓、安全性能的要求。

限于篇幅對SPD的電壓保護水平Up的選擇、電涌電流的選擇不作描述，可以參考相關(guān)的書籍。對額定工作電壓Uc的確定做舉例說明。

根據(jù)經(jīng)驗，直流系統(tǒng)的SPD額定工作電壓Uc值為被保護系統(tǒng)額定電壓的1.5倍左右，考慮分布電容的影響，光伏系統(tǒng)直流側(cè)正負(fù)對地電壓均不超過系統(tǒng)額定電壓，目前光伏組件耐壓一般為1000V，Uc按1000V選取即可滿足要求。

設(shè)有一集中式逆變器，其直流耐壓為1000V，實際最大直流工作電壓DC750V；交流輸出額定電壓AC360V，輸出電壓范圍AC288～414V；額定工作頻率50Hz，線制三相三線制，無中性線。集中逆變器直流側(cè)浮地，交流側(cè)采用虛擬構(gòu)造中性點安裝抗PID模塊的方式。根據(jù)以上條件確定交流側(cè)SPD器件的額定工作電壓數(shù)值。

經(jīng)分析，SPD額定工作電壓Uc不應(yīng)低于系統(tǒng)中可能出現(xiàn)的最大持續(xù)運行電壓UCS，此時應(yīng)考慮系統(tǒng)最大電壓偏差值及短時過電壓，計算時需注意每相對地之間疊加了直流電壓（共模電壓）。

抗PID模塊工作電壓UDC=2/3×750=450V，考慮1.1 倍安全余量，選 UDC=1.1×450V=495V，取 500V。逆變器輸出線電壓按有效值的上限AC414V考慮，則每相對系統(tǒng)虛擬中性點的電壓為相電壓，其有效值，峰值電壓 240×1.414=339V;故系統(tǒng)每相對地最大持續(xù)運行電壓峰值Um=495+339=834V;有效值考慮SPD的老化因素，額定工作電壓應(yīng)不小于AC589×1.1=AC648V。

SPD應(yīng)考慮持續(xù)時間較長的暫時過電壓，應(yīng)能承受由于低壓系統(tǒng)故障引起的暫時過電壓（TOV），并能在高壓系統(tǒng)發(fā)生接地故障時引起的暫時過電壓下正常工作或安全性失效。由于逆變器交流輸出側(cè)中性點不接地，故如線路發(fā)生單相接地故障，則健全相的相對地電壓值上升為線電壓，即AC414V；考慮SPD的老化因素，額定工作電壓應(yīng)不小于AC414V×1.1=AC455V。

綜上：SPD的額定工作電壓 Uc應(yīng)不小于AC648V，如選 AC650V。

6 結(jié)束語

從抗PID模塊工作原理出發(fā)，結(jié)合SPD的各種技術(shù)參數(shù)，介紹了光伏系統(tǒng)中SPD選用的注意事項，并對其關(guān)鍵參數(shù)額定電壓Uc的選擇進行論證。該研究已應(yīng)用于河北磁縣池上20MW光伏電站、山東臨朐福山祥泰20MW光伏電站等項目一年多，至今SPD運行正常，因此具有較強的選型推廣價值。

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