原创 光伏并网发电系统的雷电监控系统研究

1 引言 随着人类对能源需求的日益增加，地球上化石能源的储量正日趋枯竭。开发利用可再生能源和各种绿色能源以实现可持续发展，是人类必须采取的措施。太阳能是近年来我国新能源利用领域的发展方向，是符合可持续发展战略的理想的绿色能源。太阳能光伏并网发电是太阳能最主要和最重要的应用，其主要组成部分光伏电站太阳电池阵列均位于户外。因此，为了确保系统可靠和安全地工作，必须解决太阳能光伏并网发电系统的防雷避雷问题。 然而，目前人们尚不能对雷电加以有效利用，而只能对它采取相应的预防性措施，变被动引雷为主动引雷，以减少雷电带来的各种灾害。我国大部分的楼层建筑，防雷措施一般采用避雷带、避雷针和安装阀型避雷器等装置。但是，将现行的防雷技术用于太阳能光伏并网发电系统，一方面，由于大面积的太阳电池板已占据了屋面，特别是与建筑材料一体化的光伏屋顶，它们的水、电循环系统都可以成为雷电的载体，所以，从安全角度考虑，要求有更高性能的避雷技术才不致于使太阳能光伏并网发电系统及人类受到侵害；另一方面，按传统的避雷技术，要使整个太阳能光伏并网发电系统都不受雷电侵袭，必须严格按照技术标准安装避雷带、避雷针群等装置，且对间距和高度都有很高的要求。否则，难以保证安全。如何让太阳能光伏并网发电技术和新型避雷技术有机地结合在一起，组成实用、美观、安全可靠的一体化避雷系统，是目前亟需研究并解决的重要课题。对光伏并网电站的太阳电池阵列、控制器和逆变器进行多级、综合雷电防护，是本文研究的重点。 2 系统组成及工作原理 太阳能光伏并网发电系统的运行方式主要可分为离网运行（即独立太阳能光伏发电系统）、联网运行（联网太阳能光伏发电系统）和混合系统三大类。无论是离网运行，还是联网运行，目前对它遭受雷击状况的检测与控制的雷电监控系统的研究尚在发展中。太阳能光伏并网发电系统主要由太阳电池板（组件）、控制器和逆变器三大部分组成。其工作原理是：太阳电池组件产生的直流电经并网逆变器转换成符合电网要求的交流电之后，直接进入公共电网，光伏电池方阵所产生的电力除了供给交流负载外，多余的电力反馈给电网。在阴雨天或夜晚，太阳电池组件没有产生电能或者电能不能满足负载需求时，就由电网供电。由于太阳能发电直接供入电网，免除配置蓄电池，省掉了蓄电池储能和释放的过程，减少了能量的损耗，并降低了系统的成本。但是，系统需要专用的并网逆变器，以保证输出的电力满足电网对电压、频率等指标的要求。因为逆变器效率的问题，会有部分能量损失。这种系统并行使用公用电网和太阳电池组件阵列作为本地交流负载的电源，减低了系统的负载缺电率，而且并网光伏系统可对公用电网起到调峰作用。但并网光伏供电系统作为一种分散式发电系统，会对电网产生一些影响，需予以考虑和重视。 在太阳能光伏并网发电系统中，避雷的原理在于变被动引雷为主动引雷。各种避雷针实际上都是“引雷针”，将高空的雷电流接引入地底下释放电荷，这是被动引雷，被保护的太阳能光伏并网发电系统，仍然处于危险之中。如图1所示为太阳能光伏并网发电系统雷电监测系统组成框图。

避雷控制系统负责检测每次直接雷击避雷装置动作后入地脉冲电流的强度、雷击电压的极性、雷击次数的计数以及各个防非直接雷避雷装置的动作损坏情况。它根据上位机的指令，将各种数据传给上位机进行相应处理；也可以根据用户的按键命令，进行复位、显示和打印简单报表等操作。下位机中智能监测仪的前端处理分为两个部分：一部分用于检测多路防直接雷避雷装置动作后各个参数的变化情况；另一部分用于检测多路防非直接雷避雷装置的动作损坏情况。 前端处理（1）中用于检测直接雷击的探头，采用罗哥夫斯基（以下简称为罗氏）线圈。罗氏线圈安装在防直接雷避雷装置的接地引下线上，将大电流强电信号转变为小电流弱电信号进行隔离。信号进入前端处理（1）后，因此时的信号电压高达几十伏甚至上百伏，需要进行两级变换后才能送入智能监测仪处理：第一是进行分压变换，通过阻抗匹配将信号电压降至±0.1v～10v；第二是进行非线性变换，将±0.1v～10v的信号变换为±0.3v～5v的信号。进行非线性变换的目的是便于a/d采样和去掉噪声电平的干扰。前端处理（1）的输出信号分成两路，一路经过4051八路选择电路和a/d转换电路测量雷电波形的峰值电压以及极性；另一路通过触发电路和保持电路给单片机提供中断信号和直接雷击避雷装置动作路数的信号。一旦某一路遭受直接雷击，单片机就被触发信号中断，中断服务程序中先判断遭受直接雷击的避雷装置的路数，然后通过4051选择读入该路信号，经a/d转换后存入相应内存单元，以备主程序进行处理，相应路数的雷击次数进行累加，如果加满，则再增加时又从1开始循环计数。这样处理完后退出中断程序，由主程序将信息显示出来。只要不掉电或按复位按钮，则最新一次雷击的信息将始终显示在面板上。 前端处理（2）的输入来自防非直接雷避雷装置（如电源避雷箱）的防雷接口信号。该信号通过同轴电缆或光缆接入前端处理（2）中，经过过压保护电路和光电隔离电路后送入智能监测仪的8255接口电路进行处理，如果避雷装置雷击后工作正常，则监测仪将检测到高电平信号，如检测为低电平信号，则表明此避雷装置已被雷击损坏，应立即予以更换。智能监测仪检测直接雷击电流强度的电路部分采用ad1674器件构成采样电路，ad1674的最小采样时间为7.5μs，而一个雷电波形的上升沿一般在l0μs以上，整个雷电的放电波形一般在几十微秒到上百微秒之间，故ad1674理论上完全可以将雷击后的整个放电过程波形采样进来。因每个采样过程都是通过单片机的中断服务程序进行的，这样，cpu就有足够的时间进行其它的数据处理、报警、显示和打印控制等任务。下位机的打印控制部分主要是应用户的要求打印各种实时数据信息和避雷装置的损坏情况的简单报表，该电路部分采用一片8255控制电路来进行打印控制。下位机与上位机的数据通信是通过mc1488、mc1489组成的串行通信电路实现的。 系统的上位机采用pc机作为整个监测系统的数据库管理中心，该部分主要负责统计系统辖区内的各个智能监测仪所检测的避雷装置的各种雷击信息（如雷击电流强度、雷击次数、雷击电压的极性以及避雷装置的损坏、更换情况等等）。它可以模拟显示辖区内防雷系统中各个避雷装置的位置、动作情况及工作状态，也可以按用户要求打印防雷系统中的各个智能监测仪的历史数据报表以及每次雷击后的具体情况的实时报表。它还可以通过向预先设定的电话报警来满足某些需要无人值守的场合。 3 避雷防护方案 对太阳能光伏并网发电系统的避雷监控系统来说，主要应防止直击雷、雷电感应和雷电波侵入，因此，可以针对不同的雷电危害方式，采取合适的防雷措施与防护方案。 3.1 对直击雷的防护 对直击雷的防护包括对太阳电池阵列和光伏电站厂区的防护。防直击雷，防雷设备主要采用避雷针，通过计算，可以合理地选择防雷设备，达到对户外的光伏电站太阳电池阵列进行有效防护的目的。可见，要对户外的光伏电站太阳电池阵列进行有效防护，问题的关键就是要正确计算太阳电池阵列年预计雷击次数，以及利用滚球法，计算出需要避雷的范围，然后选定避雷针的型号及其性能指标。 计算公式：n=kngae （1） 式（1）中：k—校正系数； ng—光伏阵列所处地区雷击大地的年平均密度（次/km2.a），（其中：ng=0.024td13）； td—年平均雷暴日数，根据省气象台、站资料确定（d/a）； ae—与光伏阵列截获相同雷击次数的等效面积（km2）。

（公式2中l、w、h分别为光伏阵列的长、宽、高） 避雷保护半径rx计算公式为：

式（3）中：h—避雷针高度；hx—被保护物高度；hr—滚球半径。 3.2 对雷电感应和雷电冲击波的防护 通过对太阳能光伏电站可能遭受雷击事件的概率大小来分析，控制机房内的控制器或逆变器遭损坏的概率最大，分析其原因，都是由于雷电波侵入造成的。因此，太阳能光伏电站在进行防雷设计时，必须采取有效措施，防止雷电感应和雷电波侵入。所以，考虑用避雷器等对雷电感应和雷电波侵入进行防护。 控制器和逆变器一般采用全户内型，为使光伏电池组件、控制器和逆变器在受到直击雷和感应雷时能有可靠的保护，在光伏电池组件支架、控制器和逆变器的非导电体的屋顶上装设环形避雷带作为防雷保护，并且避雷带设有数个独立引下线。为了对雷电感应进行防护，将光伏电站机房内的全部金属物，包括设备金属外壳、机架、金属管道、电缆金属外皮等可靠接地，并且将全部金属物用专用接地线单独接入接地干线。 雷电波侵入的主要途径是架空导线和光伏阵列到机房的引入线。为此，对避雷方案进行改进，可以采取多级防护措施对太阳能光伏并网发电系统进行保护。在太阳电池方阵接线箱内安装防雷模块；保持太阳电池方阵接线箱与控制柜间距大于10m；在控制器、逆变器内安装防雷元器件，使其具有防雷保护功能；在交流输出端，改变以往设计中在架空出线杆上安装低压阀式避雷器的做法，改用更加灵敏、安全、方便的浪涌保护器即防雷模块；防雷器件全部安装于防雨防尘的电源箱内，固定在架空出线杆上，防止雷电波由输电线路进入机房。这样就可以很好地对雷电波侵入进行有效防护。 可见，在太阳能光伏并网发电系统中，不仅需要考虑对直击雷的防护，还需要考虑对非直接雷击（雷电感应和雷电波）的防护。与此同时，不仅要知道雷击的次数，还要知道每次雷击的强度以及整个防雷系统内各个避雷装置的工作损坏情况。基于此，设计了上述完善的雷电监控系统，来保护太阳能光伏并网发电系统的设备和人身安全。 4 结束语 本监控系统的创新点就在于对太阳能光伏并网发电系统的避雷系统，针对三个组成部分的不同安装位置和各自的特点，对避雷方案进行综合改进，采用全面、有效的避雷设计方案，采取多级防护措施，对户内和户外发电设施分别进行有效地保护，确保太阳能光伏并网发电系统的正常工作。 将避雷监控技术应用于太阳能光伏并网发电系统，通过对户外太阳电池方阵的直击雷防护与户内控制器和逆变器的非直接雷击（雷电感应和雷电侵入波）的防护，达到使太阳能光伏并网发电系统有效和安全运行的目的。