光伏電站逆變器接地異常及設(shè)備安全保護(hù)分析

明勇

（江蘇林洋電力服務(wù)有限公司南京分公司，江蘇 南京 210000）

前言：光伏效應(yīng)最早發(fā)掘于19 世紀(jì)30 年代，起初只局限于理論研究層面，至20 世紀(jì)中葉，單晶硅太陽(yáng)電池出現(xiàn)以后，光伏發(fā)電方向才正式被打通，后伴隨科技環(huán)保理念的進(jìn)步，發(fā)電組件不斷更新，組網(wǎng)應(yīng)用方式也更加多樣。在我國(guó)，僅通過逐年上漲的光伏發(fā)電裝機(jī)總量，就可以窺見其發(fā)展態(tài)勢(shì)之迅猛，不過，盡管光伏發(fā)電優(yōu)點(diǎn)良多，其接地安全問題仍需引起重視。

一、光伏電站及接地系統(tǒng)概述

與傳統(tǒng)電能生產(chǎn)方式不同，光伏發(fā)電采用直接轉(zhuǎn)換的方式，省略了中間的熱過程，電能損耗降低，生產(chǎn)過程也更加清潔，太陽(yáng)能電池、蓄電池是其主要的能量接收、存儲(chǔ)裝置，搭配控制器、逆變器等裝置，共同完成電能供應(yīng)。當(dāng)前常見的光伏發(fā)電系統(tǒng)共有3 類，獨(dú)立光伏發(fā)電系統(tǒng)最大的優(yōu)勢(shì)是能夠滿足離網(wǎng)運(yùn)行需求，在邊遠(yuǎn)、鄉(xiāng)村地區(qū)較為常見；集中式并網(wǎng)系統(tǒng)中，設(shè)備體積較大，能夠?qū)⒂商?yáng)能轉(zhuǎn)換得到的電能集中并入電網(wǎng)系統(tǒng)，再由電網(wǎng)系統(tǒng)統(tǒng)一負(fù)責(zé)調(diào)配；分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)中，儲(chǔ)能裝置體積更小，布局也相對(duì)分散，可以有效利用住戶、商戶屋頂、墻面等處的光照資源，建設(shè)過程便捷快速，應(yīng)用十分廣泛，本文主要以分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)為例，研究其逆變器接地故障及設(shè)備安全防護(hù)策略。

分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)規(guī)整，光伏組件是其主要組成部分，通常借助支架進(jìn)行固定，安裝時(shí)需要與地面保持一定夾角，以提升太陽(yáng)能接收效率。經(jīng)過一段時(shí)間的陽(yáng)光照射后，組件會(huì)在光伏效應(yīng)支持下，完成直流電壓的生產(chǎn)過程，并遵循串并聯(lián)的方式，與逆變器輸入端建立聯(lián)系。逆變器通過波形調(diào)制，發(fā)出適用于直流轉(zhuǎn)換的PWM 斬波[1]，并最終將處理完成的交流電能送入配電箱，并入電網(wǎng)，完成整個(gè)電能供應(yīng)流程。光伏電站接地系統(tǒng)設(shè)計(jì)是一個(gè)較為復(fù)雜的過程，由于光伏電站系統(tǒng)位置大多空曠、開闊，遭受雷擊的風(fēng)險(xiǎn)相對(duì)較大，因此要科學(xué)確定防雷類別，以《建筑物防雷設(shè)計(jì)規(guī)范》為依據(jù)，進(jìn)行針對(duì)性分析，對(duì)于直擊雷來說，雷電通道中溫度急劇膨脹，空氣中水分受汽化效應(yīng)限制，沖擊機(jī)械力會(huì)呈現(xiàn)指數(shù)級(jí)上漲趨勢(shì)，使周圍建筑、設(shè)備遭受損傷，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)當(dāng)從多角度展開防護(hù)。比如優(yōu)化接閃器材質(zhì)、布局，將建筑內(nèi)部鋼筋作為引下線，提升接地防護(hù)性能，在光伏方陣中，增設(shè)人工接地網(wǎng)等。

其次，閃電電涌侵入也是較為常見的危害，當(dāng)雷擊發(fā)生在線路附近時(shí)，劇烈的電流變化將會(huì)提升風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)，導(dǎo)致交變磁場(chǎng)的產(chǎn)生，若附近存在金屬導(dǎo)體，會(huì)進(jìn)一步生成感應(yīng)電流，這種電流沿著管線入侵，就會(huì)直接造成機(jī)房設(shè)備的損壞，嚴(yán)重時(shí)還可能造成人員傷亡。對(duì)于該種隱患，光伏電站建設(shè)過程中，應(yīng)當(dāng)選用屏蔽電纜，使其在線路兩端形成電位連接。若工程限制，必須采用非屏蔽電纜，則要穿金屬敷設(shè)，同時(shí)做好起始處、末端的接地防護(hù)。在匯流箱內(nèi)部，也可以裝設(shè)直流電涌保護(hù)器，注意審查裝置的技術(shù)參數(shù)，額定沖擊電流必須在12.5kA 以上。對(duì)于送出電路來說，隱患主要集中在變壓器高壓側(cè)，可以借助避雷器完善接地系統(tǒng)，完成電涌電流的導(dǎo)出。

最后是雷擊電磁脈沖，當(dāng)雷擊地點(diǎn)靠近建筑物時(shí)，電流會(huì)直接作用于防直擊系統(tǒng)，過程中容易產(chǎn)生迅變電磁場(chǎng)，對(duì)周圍電子設(shè)備產(chǎn)生不利影響，當(dāng)周圍存在光纖電站機(jī)房時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生通訊、監(jiān)控異常現(xiàn)象，導(dǎo)致設(shè)備失效。對(duì)于該種脈沖來說，防護(hù)措施主要針對(duì)機(jī)房設(shè)備，共有3 種不同思路可供選用，分別是屏蔽、等電位，以及綜合布線，系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，要以電流出入端為對(duì)象，統(tǒng)一設(shè)置等電位連接，對(duì)于機(jī)柜、金屬管等構(gòu)件，則要確保其與接地基準(zhǔn)點(diǎn)相連，連接方式沿用最短路徑，盡量避免電位差的產(chǎn)生。

二、光伏逆變器接地異常的影響

光伏電站系統(tǒng)規(guī)模較為龐大，處于屋頂、室外工作環(huán)境的部分較多，除太陽(yáng)能光伏組件外，直流防雷匯流箱、直流配電柜都可能配備于室外，作為逆變器的前端系統(tǒng)，這些設(shè)備裝置一旦遭受雷擊等意外情況干擾，就很容易生成極端電泳電壓，即使系統(tǒng)中已經(jīng)裝配有防雷器件，也很難完全規(guī)避高壓風(fēng)險(xiǎn)，如果線路內(nèi)電壓在短時(shí)間內(nèi)急劇升高，就可能破壞直流系統(tǒng)原有的絕緣防護(hù)，帶來正負(fù)極側(cè)的接地風(fēng)險(xiǎn)，使得逆變器發(fā)出異常告警。除天氣影響外，絕緣材料本身質(zhì)量、鳥獸啃咬線路、塵土潮氣侵蝕等，均會(huì)導(dǎo)致絕緣性能降低或失效問題，引發(fā)逆變器故障異常。逆變器接地告警提示往往隱藏著較多信息，必須予以充分重視，否則將會(huì)造成極其嚴(yán)重的后果。

（一）影響系統(tǒng)正常運(yùn)行

逆變器是光伏電站中關(guān)鍵的調(diào)整裝置，主要由半導(dǎo)體器件構(gòu)成，能夠以光伏組件產(chǎn)生的直流電為原料，進(jìn)行交流電轉(zhuǎn)換，當(dāng)直流電經(jīng)由輸入通道進(jìn)入，回路會(huì)率先對(duì)其進(jìn)行增壓，當(dāng)其滿足直流電壓后，進(jìn)入逆變器橋式回路，以等價(jià)轉(zhuǎn)換為原則，進(jìn)一步變?yōu)榻涣麟妷?。從原理上看，晶體管是其中的重要構(gòu)件，通過重復(fù)操作開關(guān)元件，完成交流轉(zhuǎn)化。當(dāng)前伴隨光伏電站規(guī)模的擴(kuò)大，這種落后形式很難滿足需求，高頻脈寬調(diào)制技術(shù)進(jìn)入研究視域，其可以在自動(dòng)化思路之下，對(duì)正弦波兩端的電壓進(jìn)行調(diào)制，使其按照一定規(guī)律變窄，波中央的電壓則采用相反方式調(diào)制，使其電壓寬度變寬，這樣一來在半周期內(nèi)部，開關(guān)元件就會(huì)始終面向統(tǒng)一方向，以統(tǒng)一頻率動(dòng)作，最終形成脈沖波列，經(jīng)過濾波器處理后，就會(huì)產(chǎn)生正弦波，完成交流電轉(zhuǎn)化?？梢哉f逆變器直接關(guān)系著光伏電站的正常運(yùn)行，一旦其發(fā)生故障，整個(gè)電站都將面臨無法運(yùn)行的困境，從而給電站帶來經(jīng)濟(jì)財(cái)產(chǎn)損失。

（二）阻礙絕緣阻抗檢測(cè)

在光伏電站中，逆變器不僅是重點(diǎn)防護(hù)對(duì)象，還是開展接地檢測(cè)的重要主體，它可以直接檢測(cè)光伏組件正負(fù)極，判斷其接地絕緣阻抗參數(shù)是否在正常范圍內(nèi)，以UPVmax 除以30mA 為標(biāo)準(zhǔn)，如果測(cè)得的直流絕緣電阻小于該數(shù)值，非隔離逆變器就應(yīng)當(dāng)顯示異常，并對(duì)該線路接入電網(wǎng)的行為進(jìn)行限制。其檢測(cè)功能主要建立在不平衡電橋法原理基礎(chǔ)之上，以絕緣正負(fù)極為檢測(cè)對(duì)象，將其阻抗Riso+、Riso-作為電橋的一端，測(cè)量電阻R1、R2、R3 作為電橋的另一端，在不同運(yùn)行條件下，對(duì)R3 兩端進(jìn)行分壓測(cè)量，得到絕緣阻抗值，將之與限定值比較，就可以判定絕緣電阻實(shí)際狀況。假設(shè)組件正極為Uoc+，負(fù)極則為Uoc-，K1 代表測(cè)試?yán)^電器，Uiso 則代表測(cè)量電壓，取正負(fù)極中心點(diǎn)，設(shè)為PE。將上述檢測(cè)電阻R1、R2 與中心點(diǎn)相連接后，操作繼電器啟閉按鈕，分別得到計(jì)算值，當(dāng)逆變器存在異常，就相當(dāng)于其中某段支路發(fā)生斷連，不平衡電橋回路難以成型[2]，直接表現(xiàn)為R3 兩端電壓異常，致使絕緣阻抗計(jì)算出現(xiàn)較大偏差，阻抗檢測(cè)失效。

（三）增加安全事故風(fēng)險(xiǎn)

從前述分析中可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)逆變器發(fā)生接地故障，會(huì)喪失阻抗檢測(cè)的能力，而分布式光伏電站中，組件數(shù)量眾多，一旦正負(fù)極出現(xiàn)接地異常，逆變器很容易與繼電器發(fā)生吸合問題，擴(kuò)大到電站所連接的電力網(wǎng)絡(luò)中去，借助輸出電感，經(jīng)由逆變橋體二極管完成故障擴(kuò)散，當(dāng)負(fù)極接地時(shí)，故障主要作用于三相電壓負(fù)半周期，并在負(fù)半周期內(nèi)部形成獨(dú)立回路[3]；當(dāng)正極接地時(shí)，故障則主要集中于正半周期，同樣形成幾個(gè)相互獨(dú)立的回路。根據(jù)歐姆定理，對(duì)于交流電網(wǎng)來說，電壓負(fù)半周期的電流有最大額定值，計(jì)算公式為：Idmax=Uacpeak/ωL。假定在20kW 并網(wǎng)中，設(shè)定電壓為380V，輸出濾波電感設(shè)為1mH，其額定電流應(yīng)當(dāng)為30.3A，計(jì)算后發(fā)現(xiàn)，最大電流值大約為990A，與額定電流相比，呈幾十倍的關(guān)系，很容易使逆變器出現(xiàn)過流炸機(jī)的事故，危害電網(wǎng)安全。

三、光伏電站逆變器設(shè)備安全保護(hù)策略

（一）優(yōu)化選型應(yīng)用

逆變器在光伏電站中具有極高的應(yīng)用價(jià)值和地區(qū)，其本身性能、質(zhì)量與電站運(yùn)行效率、接地故障預(yù)防有較大聯(lián)系，集中式逆變器、組串式逆變器應(yīng)用均十分廣泛，前者單位功率成本較低，在集中管理場(chǎng)景中，具有較強(qiáng)的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)，但直流部分系統(tǒng)較為復(fù)雜；后者輸出功率相對(duì)較高，即使沒有直流匯流箱、配電柜等裝置的支撐，也可以完成轉(zhuǎn)換任務(wù)，發(fā)生接地故障時(shí)，影響會(huì)相對(duì)較小，但單位功率成本較高，并聯(lián)超過40 臺(tái)以上，還可能導(dǎo)致總諧波過高的問題，選型時(shí)要做好針對(duì)性分析，分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)中，組串式逆變器要相對(duì)適用，對(duì)接地故障的適應(yīng)性也相對(duì)較高。

（二）增設(shè)預(yù)判支路

逆變器接地故障危害較大，可能導(dǎo)致電網(wǎng)短路、設(shè)備過流等狀況，導(dǎo)致安全事故的發(fā)生，考慮到直流電流并不通過IGBT，即使封鎖斬波脈沖，也無法達(dá)到設(shè)備防護(hù)的目的，而分段接觸器在運(yùn)行過程中，可能存在幾十毫秒的延遲，同樣很難達(dá)到有效防護(hù)?；诖?，本文推出一種新型保護(hù)方案，即增設(shè)預(yù)判支路，支路中應(yīng)當(dāng)包含繼電器與電阻，在逆變器與系統(tǒng)繼電器發(fā)生聯(lián)系之前，支路繼電器會(huì)先發(fā)揮作用，以電流為依據(jù)對(duì)接地異常狀況進(jìn)行篩查，若發(fā)現(xiàn)異常現(xiàn)象，則發(fā)出聲光告警，并禁止相關(guān)設(shè)備啟動(dòng)；若接地結(jié)果顯示良好，則允許通過電流，執(zhí)行正常的啟動(dòng)流程。為避免電阻過大引起不必要的損耗，選型時(shí)應(yīng)當(dāng)予以充分關(guān)注，對(duì)于流經(jīng)IGBT，同時(shí)反并聯(lián)二極管的電流來說，不能超過最大輸出電流，即Idmax 要小于等于Uacpeak/R。假設(shè)應(yīng)用場(chǎng)景為20kW 并網(wǎng)，電壓設(shè)定為380V，其逆變器的接地系統(tǒng)中，預(yù)判支路電流應(yīng)當(dāng)有上限值，最大不超過30A，電阻的選擇就必須保持在10Ω 以上。

結(jié)論：綜上所述，造成逆變器接地故障的因素眾多，雷擊、絕緣破損等均可能導(dǎo)致接地異常，一旦異常狀況出現(xiàn)，逆變器絕緣阻抗檢測(cè)功能將面臨失效，還可能導(dǎo)致設(shè)備過流炸機(jī)，后果十分嚴(yán)重，技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)對(duì)其異常提示給予充分重視，立足光伏電站運(yùn)營(yíng)實(shí)際，優(yōu)化逆變器選型應(yīng)用，同時(shí)可嘗試通過增設(shè)預(yù)判支路的方式，加強(qiáng)設(shè)備安全防護(hù)，提升電網(wǎng)運(yùn)行安全性。