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

山地；光伏陣列；ATP-EMPT仿真；雷電防護

1 引言

在綜合考慮安裝成本、投資回報率和用戶效益等指標后，太陽能光伏發(fā)電被認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)進步要求、需求驅(qū)動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)域為佳，但是在增加采光效率的同時遭受雷擊的概率也急劇增大。而光伏發(fā)電系統(tǒng)遭受雷擊會導致設(shè)備損壞，影響發(fā)電量，造成較大的經(jīng)濟損失。通過模擬和試驗方法研究發(fā)現(xiàn)，雷電沖擊電壓的影響會導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，同時其發(fā)電效率顯著降低。

為了研究引入雷擊對光伏發(fā)電系統(tǒng)的影響，本文對單塊和整個光伏陣列分布進行建模，利用ATP-EMTP軟件，分別模擬研究了單個電池板雷電沖擊、不同雷擊位置對光伏陣列損壞和不同雷電流幅值對光伏系統(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)時間的雙指數(shù)波形來表示，有4個主要參數(shù)定義這一雷擊過程，分別是幅值0，波頭時間1，波尾時間2和極性[9]（可以是正值也可以是負值）。雷擊幅值和波頭時間對暫態(tài)過電壓現(xiàn)象影響最大；波頭時間越短，雷擊時電力系統(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分別為波頭時間常數(shù)和波尾時間常數(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 單個電池板雷電沖擊模擬

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

圖5 5 kV雷電電壓擊穿單個電池板時電流波形圖

由圖4和圖5可知，在單個電池板上施加5 kV雷擊電壓，電池板在微秒時間內(nèi)被擊穿，最高沖擊電流達1 600 A。不僅導致電池板的p～n結(jié)被擊穿，破壞組串回路，影響整個陣列的發(fā)電效率，還會導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，甚至可能對電網(wǎng)產(chǎn)生干擾。

3.2 不同雷擊位置對光伏陣列損壞模擬

300 kV雷擊電壓下，在光伏陣列上選取的三個雷擊點的位置分布如圖6所示。光伏陣列三個雷擊點分別遭受雷擊后，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示意圖

由圖7可得，單個電壓串聯(lián)單元，在1#雷擊點遭受雷擊后，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系統(tǒng)的破壞效果顯著不同，雷擊點越靠近光伏陣列中心，對整個系統(tǒng)的破壞效果越大，從而越不利于系統(tǒng)安全運行。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較高、電池板較為分散、多坡多朝向等特點，導致光伏組件到直流匯流箱的線路長度相增加，這些組件遠遠超出直流匯流箱防雷保護范圍，從而使得其防雷要求更為嚴格。

3.3 不同雷電流幅值對光伏系統(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，在雷電流取120 kA時，系統(tǒng)內(nèi)沖擊電壓峰值為1.32 MV；在雷電流取300 kA時，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，因此在實際運行時，必須采取必要措施對系統(tǒng)進行防雷保護，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、正確使用浪涌保護器等。

4 結(jié)論

通過以下研究發(fā)現(xiàn)：①雷電沖擊會導致電池板的p～n結(jié)被擊穿，破壞組串回路，影響整個陣列的發(fā)電效率，嚴重時可能影響電網(wǎng)穩(wěn)定運行。②雷擊光伏陣列不同位置對系統(tǒng)的破壞效果顯著不同，雷擊點越靠近光伏陣列中心，對整個系統(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，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，從事風電場、光伏電站建設(shè)和運行維護管理工作。

〔編輯：嚴麗琴〕