基于ATP-EMTP的山地光伏電站陣列防雷模擬研究

周廣珉，趙 煒

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基于ATP-EMTP的山地光伏電站陣列防雷模擬研究

周廣珉，趙 煒

（水電十四局大理聚能投資有限公司，云南 大理 671000）

雷擊影響光伏發(fā)電的正常運(yùn)行，是嚴(yán)重威脅系統(tǒng)的主要因素之一。而山地光伏電站由于其所處地勢(shì)較高、電池板較為分散、多坡多朝向等特點(diǎn)，導(dǎo)致光伏組件到直流匯流箱的線路長(zhǎng)度相增加，這些組件遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出直流匯流箱防雷保護(hù)范圍，因此其防雷要求更為嚴(yán)格?；贏TP-EMPT仿真軟件和山地光伏系統(tǒng)分布特點(diǎn)，分別分析了不同雷擊位置和雷電流幅值對(duì)單個(gè)電池板和整個(gè)光伏系統(tǒng)的影響。以雷擊對(duì)山地光伏電站造成危害進(jìn)行理論分析，為光伏電站的安全運(yùn)行提供了理論基礎(chǔ)和數(shù)據(jù)支持。

山地；光伏陣列；ATP-EMPT仿真；雷電防護(hù)

1 引言

在綜合考慮安裝成本、投資回報(bào)率和用戶效益等指標(biāo)后，太陽能光伏發(fā)電被認(rèn)為是最佳的可再生能源之一。在未來與太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)相關(guān)的研究領(lǐng)域，將主要受技術(shù)進(jìn)步要求、需求驅(qū)動(dòng)和成本效益等因素的影響[1-4]。由于自身能量來源受限制，光伏發(fā)電系統(tǒng)必須安裝在能夠受到陽光直射的室外，尤其以屋頂、山地等較高、開闊區(qū)域?yàn)榧?，但是在增加采光效率的同時(shí)遭受雷擊的概率也急劇增大。而光伏發(fā)電系統(tǒng)遭受雷擊會(huì)導(dǎo)致設(shè)備損壞，影響發(fā)電量，造成較大的經(jīng)濟(jì)損失。通過模擬和試驗(yàn)方法研究發(fā)現(xiàn)，雷電沖擊電壓的影響會(huì)導(dǎo)致各種類型的電氣退化，例如熱處理[5]以及電磁感應(yīng)造成精密儀器失靈[6]。Sekioka[7]等通過模擬不同幅值的雷電沖擊電流對(duì)光伏電池板的破壞效果，研究表明，電池板由于受到雷電沖擊，表面出現(xiàn)了物理惡化，同時(shí)其發(fā)電效率顯著降低。

為了研究引入雷擊對(duì)光伏發(fā)電系統(tǒng)的影響，本文對(duì)單塊和整個(gè)光伏陣列分布進(jìn)行建模，利用ATP-EMTP軟件，分別模擬研究了單個(gè)電池板雷電沖擊、不同雷擊位置對(duì)光伏陣列損壞和不同雷電流幅值對(duì)光伏系統(tǒng)的影響規(guī)律，為光伏發(fā)電系統(tǒng)防雷建設(shè)提供理論參考依據(jù)。

2 模型建立

2.1 光伏電池板模型

利用ATP-EMTP軟件建立的單個(gè)光伏電池板模型如圖1所示。光伏電池板模型包括多晶硅電池板、接地電阻、阻抗等，其外圍邊框尺寸為1 956 mm×992 mm×40 mm，開路電壓為45.3 V，短路電流為8.84 A，最大輸出功率為300 W。根據(jù)“光生伏特效應(yīng)”原理繪制出內(nèi)部等效電路圖，具體如圖2所示[8]。

圖1 單個(gè)電池板電路模型圖

2.2 光伏發(fā)電系統(tǒng)模型

并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)主要由光伏陣列、逆變器、變壓器等電器設(shè)備構(gòu)成，利用ATP-EMTP軟件建立的光伏發(fā)電系統(tǒng)模型如圖3所示。

2.3 雷電電流模型

雷擊過程可以用具有上升和衰減持續(xù)時(shí)間的雙指數(shù)波形來表示，有4個(gè)主要參數(shù)定義這一雷擊過程，分別是幅值0，波頭時(shí)間1，波尾時(shí)間2和極性[9]（可以是正值也可以是負(fù)值）。雷擊幅值和波頭時(shí)間對(duì)暫態(tài)過電壓現(xiàn)象影響最大；波頭時(shí)間越短，雷擊時(shí)電力系統(tǒng)上的過電壓越大[10]。相反，雷擊幅度和尾部持續(xù)時(shí)間決定了電力系統(tǒng)部件[9]承受的熱損傷，以及由避雷器吸收的能量的量[11]。需要指出的是，雷電參數(shù)的分布是不均勻的，它們?nèi)Q于不同的氣候和地理因素。本文中，雷電電流波形采用Heidler函數(shù)表示，其函數(shù)公式如下：

式（1）中：0為峰值電流，kA；1和2分別為波頭時(shí)間常數(shù)和波尾時(shí)間常數(shù)，μs；為電流陡度因子，一般情況下取=2或10.

3 結(jié)果與討論

3.1 單個(gè)電池板雷電沖擊模擬

在模擬計(jì)算過程中，采用Heidler沖擊波電源（Heidler type 15），參數(shù)設(shè)定為一個(gè)幅值是5 kV，波形參數(shù)為4/40 的直接對(duì)地線的雷擊引起。雷電電壓擊穿單個(gè)電池板時(shí)電壓波形圖如圖4所示，電流波形圖如圖5所示。

圖3 光伏發(fā)電系統(tǒng)模型

圖4 5 kV雷電電壓擊穿單個(gè)電池板時(shí)電壓波形圖

圖5 5 kV雷電電壓擊穿單個(gè)電池板時(shí)電流波形圖

由圖4和圖5可知，在單個(gè)電池板上施加5 kV雷擊電壓，電池板在微秒時(shí)間內(nèi)被擊穿，最高沖擊電流達(dá)1 600 A。不僅導(dǎo)致電池板的p～n結(jié)被擊穿，破壞組串回路，影響整個(gè)陣列的發(fā)電效率，還會(huì)導(dǎo)致在逆變器與匯流箱之間、逆變器與變壓器之間、逆變器與直流負(fù)載之間等設(shè)備輸送電線路上產(chǎn)生浪涌電壓，損壞外圍電氣設(shè)備，甚至可能對(duì)電網(wǎng)產(chǎn)生干擾。

3.2 不同雷擊位置對(duì)光伏陣列損壞模擬

300 kV雷擊電壓下，在光伏陣列上選取的三個(gè)雷擊點(diǎn)的位置分布如圖6所示。光伏陣列三個(gè)雷擊點(diǎn)分別遭受雷擊后，系統(tǒng)內(nèi)電壓波形如圖7所示。

圖6 光伏陣列不同雷擊點(diǎn)示意圖

由圖7可得，單個(gè)電壓串聯(lián)單元，在1#雷擊點(diǎn)遭受雷擊后，電壓峰值為700 kV，峰值較高，該工況下，光伏陣列中，電池板的損壞率為95%.在2#雷擊點(diǎn)遭受雷擊后，電壓峰值為900 kV，該工況下，光伏陣列中，電池板的損壞率為59%.在3#雷擊點(diǎn)遭受雷擊后，電壓峰值為168.2 kV，該工況下，光伏陣列中，電池板的損壞率為100%.結(jié)果表明，雷擊光伏陣列不同位置對(duì)系統(tǒng)的破壞效果顯著不同，雷擊點(diǎn)越靠近光伏陣列中心，對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的破壞效果越大，從而越不利于系統(tǒng)安全運(yùn)行。為此，建議采用離散式光伏陣列布置，但山地光伏電站由于其所處地勢(shì)較高、電池板較為分散、多坡多朝向等特點(diǎn)，導(dǎo)致光伏組件到直流匯流箱的線路長(zhǎng)度相增加，這些組件遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出直流匯流箱防雷保護(hù)范圍，從而使得其防雷要求更為嚴(yán)格。

3.3 不同雷電流幅值對(duì)光伏系統(tǒng)影響模擬

在雷擊電流幅值分別為120 kA、200 kA和300 kA條件下，研究光伏發(fā)電系統(tǒng)內(nèi)電壓沖擊情況，3個(gè)工況下電壓波形如圖8所示。

由圖8可知，隨著雷電流幅值的增加，光伏系統(tǒng)內(nèi)的過電壓呈上升趨勢(shì)，在雷電流取120 kA時(shí)，系統(tǒng)內(nèi)沖擊電壓峰值為1.32 MV；在雷電流取300 kA時(shí)，系統(tǒng)內(nèi)沖擊電壓峰值為3.36 MV，沖擊電壓升高了255%.數(shù)據(jù)顯示，在雷電沖擊系統(tǒng)后，將使大多數(shù)設(shè)備損壞，因此在實(shí)際運(yùn)行時(shí)，必須采取必要措施對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行防雷保護(hù)，例如避雷器設(shè)置要合理、系統(tǒng)設(shè)備間的等電位連接正確、正確使用浪涌保護(hù)器等。

4 結(jié)論

通過以下研究發(fā)現(xiàn)：①雷電沖擊會(huì)導(dǎo)致電池板的p～n結(jié)被擊穿，破壞組串回路，影響整個(gè)陣列的發(fā)電效率，嚴(yán)重時(shí)可能影響電網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行。②雷擊光伏陣列不同位置對(duì)系統(tǒng)的破壞效果顯著不同，雷擊點(diǎn)越靠近光伏陣列中心，對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的破壞效果越大。③隨著雷電流幅值的增加，光伏系統(tǒng)內(nèi)的過電壓呈上升趨勢(shì)，且造成大多數(shù)設(shè)備損壞，必須采取防雷措施。

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TM619

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2018.22.021

2095－6835（2018）22－0021－03

周廣珉（1989—），男，云南大理人，本科，工程師，從事風(fēng)力發(fā)電、太陽能光伏發(fā)電技術(shù)研究工作。趙煒（1990—），男，云南大理人，本科，工程師，從事風(fēng)電場(chǎng)、光伏電站建設(shè)和運(yùn)行維護(hù)管理工作。

〔編輯：嚴(yán)麗琴〕