光伏组件的雷电感应过电压和过电流计算

窦志鹏，杨仲江，刘 健

（1.南京信息工程大学中国气象局气溶胶－云－降水重点开放实验室，南京 210044；2.南京信息工程大学大气物理学院，南京210044）

光伏组件的雷电感应过电压和过电流计算

窦志鹏1,2，杨仲江1,2，刘 健1,2

（1.南京信息工程大学中国气象局气溶胶－云－降水重点开放实验室，南京 210044；2.南京信息工程大学大气物理学院，南京210044）

随着太阳能在我国能源比例中的持续增长，对光伏发电系统可靠性的要求变得越来越高。因此，光伏组件防雷保护已经成为一个非常重要的课题。介绍了光伏发电系统设备的雷击损害机理，计算不同防雷方式下光伏组件回路的感应过电压。建立光伏组件等效电路模型，分析旁路二极管上承受的雷电过电流。计算表明：雷电流波头陡度越大，光伏组件距离雷击点越近，感应过电压幅值越大。光伏电池单元和旁路二极管反向安装时，旁路二极管上承受的雷电过电流幅值和过电流持续时间要小于正向安装方式。雷电过电流极易损坏旁路二极管，需要安装诸如瞬态抑制二极管之类的浪涌防护装置，减小回路线缆面积。

光伏组件；雷电；感应过电压；旁路二极管

0 引言

为了解决经济发展过程中的能源需求问题，我国正在大力发展清洁能源，其中光伏发电因其技术较为成熟得到广泛的应用[1－2]。截止2013年底，在全国累计光伏发电装机容量19.42 GW，其中光伏电站16.32 GW，分布式光伏3.1 GW，全年累计发电量90亿kWh[3]。

随着光伏电站规模的增大，光伏阵列的占地面积也不断扩大，雷电对光伏发电系统的威胁也日益严重。目前，国内外对于独立光伏系统的雷电防护已经较为成熟，但是对于大型并网光伏阵列系统还没有十分成熟的技术。国内外对于光伏系统的防雷研究主要有三种方式：试验研究[4，5]、仿真计算[6，7]和经验总结[8-10]。相关研究[11]结果表明，即使在距离适中的情况下，雷电流产生的感应过电压也可以到达数kV，极易损坏光伏组件。

笔者具体介绍了光伏发电系统的雷击损害机理，分析了光伏系统雷电电磁感应过电压的产生和计算。建立光伏组件等效电路模型，分析不同光伏电池单元和旁路二极管安装方式下，电池板模块和旁路二极管上承受的雷电感应过电流。最后，提出降低光伏组件雷电浪涌危害的措施。

1 光伏发电系统的雷击损害机理

根据相关研究统计[12]，具等效截收面积为A的建筑在T年间遭受雷击次数n的概率服从泊松分布：

式中，NG为雷击大地密度，次/km2·a。

大规模光伏系统的占地面积可达几十平方公里，暴露在旷野十分容易遭受雷击，而且光伏阵列的电池组件边框及支架均为金属材质，更增加了雷电导致设备损坏的可能性。

雷电对光伏发电系统的危害方式主要有直击雷、地电位反击、静电感应和雷电电磁感应四种。直击雷：大型光伏阵列大都安装在空旷的地方，雷电很有可能直接击中太阳能电池板。地电位反击：在有外部防雷保护的光伏发电系统中，外部防雷装置将雷电引入大地，导致地网因电阻耦合产生高电压，高电压通过设备的接线反击进入设备。静电感应：在雷云电荷积累的过程中，由于光伏阵列的金属框架的分布电容作用，使得光伏框架上积聚大量电荷。雷云放电结束后，金属框架上积累的电荷不能及时释放，形成静电感应过电压。雷电电磁感应：当雷击光伏电站附近或雷击光伏阵列金属框架上，由于强大的瞬变电磁场，周围导体感应产生很高的电势。

光伏阵列高度一般不高于5 m，静电感应产生的过电压危害较小。合理的等电位和良好的接地技术也可以较好地限制地电位反击危害。过去对光伏发电系统的防护重点在直击雷的防护，依靠合格的接闪、引下、接地系统，还采用等电位和隔离等其他措施。随着技术的发展，光伏设备智能化程度越来越高，普遍采用的集成电路抗压能力越来越差，雷电电磁感应过电压的危害也越来越严重，不但能造成光伏电池板的伏安特性发生改变[13]，影响发电效率，而且能损坏旁路二极管、控制器甚至逆变器等。

2 光伏组件雷电电磁感应过电压计算

常见的光伏系统的直击雷防护方式有两种[1]，一种是独立接闪系统，如图1所示。

图1 独立接闪感应过电压Fig.1 Induced voltage for lightning striking to an isolated LPS

另一种是利用光伏组件的金属边框和组件的安装夹件作接闪器，金属支架做引下线和接地装置相连，如图2所示。

图2 自然接闪感应过电压Fig.2 Induced voltage for lightning striking to a natural LPS

当发生雷击时，由于光伏组件导体环路的存在，会在开口处产生感应过电压。根据电磁感应定律，环路中产生的感应过电压为

式中：Ui为电磁感应过电压；kc为雷电流分流系数；Mi为接闪导体与光伏组件导体环路间的有效互感系数。

雷电击中独立接闪杆时，互感系数为

式中：b为导体环路宽度，m；l为环路长度，m；α为光伏电池板倾角。

雷电直接击中光伏组件时，互感系数为

式中，r0为回路线缆的等效半径，m，一般情况下取0.05b。

考虑到光伏组件金属边框对感应过电压的衰减，定义有效互感系数如下：

式中，RF为金属边框衰减因子[10]，对于金属材质的边框一般取2～6。

以10 Mph光伏组件阵列为例，由24块光伏电池板串联而成，每块电池板大小1 316 mm×992 mm。雷电流波形采用脉冲函数模型表示，波形参数根据相关规范[14]首次正极性雷击取10/350 μs，首次负极性雷击取1/200 μs，首次负极性以后雷击取0.25/100 μs。雷电流幅值取20 kA，两种不同防护方式感应过电压计算结果分布见图3和图4。

图3 独立接闪感应过电压随雷电流波形和距离变化Fig.3 Induced voltages depending on lightning current waveforms and distance for lightning striking to an isolated LPS

图4 自然接闪感应过电压随雷电流波形和距离变化Fig.4 Induced voltages depending on lightning current waveforms and distance for lightning striking to a natural LPS

雷电击中独立接闪杆时，感应过电压计算参数如下：l=13.004 m，b=1.384 m，α=30°，金属边框衰减因子RF取4，kc分流系数取1。

雷电击中光伏组件边框时，感应过电压计算参数如下：l=13.004 m，b=1.384 m，金属边框衰减因子RF取 4，kc分流系数取 0.44。

由图3和图4可以看出无论是独立接闪方式还是自然接闪方式，感应过电压数值都与雷电波波头陡度和雷击点距离有关。波头陡度越大，距离雷击点越近，感应过电压数值越大。自然接闪方式下相应回路感应过电压大于独立接闪方式。雷击光伏电池板边框时，即便回路距离边框2 m，10/350 μs波形的感应过电压幅值仍然可以达到8.1 kV，大大超过了回路耐压水平，极易损坏光伏电池阵列。

3 感应过电流计算

为了防止热斑现象[15]的发生，通常在光伏组件中，以数个电池单体为单位，在这些电池单体的电流的反方向，并联一个旁路二极管，为被遮挡组件一侧提供电流通路。当环路中感应电压幅值过大，旁路二极管可能发生短路。

分析雷电对旁路二极管的危害时，必须考虑光伏电池单元的布置方式。光伏电池单元反向安装时（图5（a）），在承受短时冲击过电压时光伏电池PN结可以视作反向二极管，击穿电压在10－30V范围。一个安装旁路二极管的导体环路中通常包含12－24个光伏电池单位，可以承受几百伏的暂态过电压。光伏电池单元正向安装时（图5（b）），P－N结的正向导通电压较低，遭受雷击时，环路电流过大极易损坏旁路二极管。

图5 旁路二极管不同安装方式Fig.5 Different ways of placing bypass diodes

雷电感应过电压流经时的等效电路见图6（a）和图6（b），图中Ui为雷电感应过电压，光伏电池单体等效成反向二极管串联，RL和LL为线缆回路等效电阻和等效电感，RL实测数值较小，对计算结果影响不大，计算时取RL≈0。

回路电感LL计算如下[16]：

图6 短路电流计算等效电路Fig.6 Equivalent circuit for calculating induced circuit current

式中，LL为矩形金属回路电感，μH。上式在0时具有较高准确度。

根据图6（a）和图6（b）建立如下电路方程：

式中：iB（t）为流经旁路二极管的过电流；i（t）为雷电流；Rt为光伏电池和旁路二极管等效内阻；Vt为回路恒压，反向安装时，Vt=nVcr+Vbr；正向安装时，Vt=nVcf+Vbf。n为回路中包含光伏电池单元数目，Vcr和Vbr分别为光伏电池单元和旁路二极管的反向击穿电压，Vcf和Vbf分别为光伏电池单元和旁路二极管的正向压降。

计算感应过电流时相关参数如下：光伏电池的反向击穿电压Vcr=20 V，正向压降Vcf=0.7 V，正向导通内阻Rcf=4 mΩ；旁路二极管的反向击穿电压Vbr=60 V，正向压降Vbf=0.65 V，正向导通内阻Rbf=3 mΩ。光伏组件回路包含24块光伏电池板。雷电流波形取危害最严重的0.25/100 μs波形，雷电流幅值取20 kA。雷击光伏系统边框时感应过电流如图7、图8所示。

图7 旁路二极管反向电流Fig.7 Reverse currents in bypass diode

图8 旁路二极管正向电流Fig.8 Forward currents in bypass diode

由图7和图8可以看出，雷击点距离光伏组件越近，旁路二极管上的过电流越大，这主要是因为距离d影响了有效互感系数Mi。在相同距离和雷击参数情况下，旁路二极管正向安装时承受的雷电过电流幅值和持续时间都要高于反向安装方式。不考虑光伏电池单元和旁路二极管的影响，流经回路的过电流峰值可以用下式进行简化计算：

式中，缩减因子k取值0.6-1。实际反向过电流和正向过电流峰值都要小于简化计算值，简化计算值可作极端危险阈值参考。

大部分旁路二极管的雪崩容量低于数十毫焦，不足以应付雷电感应能量，即使能够承受单次脉冲能量，自然界中的真实闪电也是连续多次脉冲的，浪涌极易损毁旁路二极管[17]。为了保护二极管免受雷电浪涌的损害，可以在每个旁路二极管旁边并联一个TVS器件，或者在每个接线盒上加上一个TVS器件。

感应过电压的产生是由于光伏电池单体之间互连时会形成一个较大导体环路（图9（a）），可以通过适当布线减少回路面积（图9（b）），降低感应过电压幅值，从而有效地保护旁路二极管和光伏电池。

图9 光伏组件不同的互连方式Fig.9 Different ways of interconnecting PV modules

4 结语

具体介绍了光伏发电系统的四种雷电危害途径。讨论了光伏阵列独立接闪和自然接闪方式下，不同雷击波形和雷击点距离对光伏系统雷电电磁感应过电压的影响。通过建立光伏组件等效电路模型，分析旁路二极管正向和反向安装方式下，旁路二极管上承受的浪涌电流。雷电浪涌能量极易损坏旁路二极管，需要在光伏组件回路中安装浪涌保护器件，减小线缆回路面积。

[1]王长贵，王斯成.太阳能光伏发电实用技术[M].北京：化学工业出版社，2009.

[2]章激扬，李达，杨苹，等.光伏发电发展趋势分析[J].可再生能源，2014，32（2）：127－132.ZHANG Jiyang，LIDa，YANG Ping，etal.Development trend analysis of photovoltaic power generation[J].Renewable Energy，2014，32（2）：127－132.

[3]李俊峰.2014中国光伏发展报告[R].北京：中国资源综合利用协会可再生能源专业委员会，2014.

[4]HABERLIN H，MIMKNER R.Test of lighting withstand capacity and measurement of induced voltage at a model of a PV system with ZnO－surge－arresers[C]//Proc.of 17th ECPV－Conf.，Montreux，Switzerland，1992.

[5]HABERLIN H，MIMKNE R.A simple method for lighting protection of PV－system[C]//Proc.of 12th EC－PV－Conf.，Amsterdam，The Netherlands，1994.

[6]NATTAPONG Phanthuna，NATDANAIThongchompoo，Model and experiment for study and analysis of photovoltaic lightning effects[C]//2010 International Conference on Power System Technology，Zhejiang，China，2010.

[7]李辉，陈江波，尹晶，等.大型光伏发电站防雷研究[J].中国电力，2014，47（1）：112－117.LI Hu，CHEN Jiangbo，YIN Jing，et al.Over－voltage invasion wave simulation and lightning protection study of large－scale photovoltaic power generation stations[J].Electric Power，2014，47（1）：112－117.

[8]梅勇成，陈华晖.独立太阳能光伏发电系统防雷技术探讨[J].气象科技，2009，37（6）：763－766.MEI Yongcheng，CHEN Huahui.Techniques of lightning protection for photovoltaic stand－alone system[J].Meteorological Science and Technology，2009，37（6）：763－766.

[9]杨磊，谭涌波，强玉华.光伏建筑雷电灾害和预警措施研究[J].电瓷避雷器，2014，5：94－99.YANG Lei，TAN Yongbo，QIANG Yuhua.Research on the lightning disaster and lightning warning measures of building integrated photovoltaic[J].Insulators and Surge Arresters，2014，5：94－99.

[10]张杰，胡媛媛.大规模光伏电站的防雷评估及雷击风险管理[J].通信电源技术，2011，28（2）：13－18.ZHANG Jie，HU Yuanyuan.Simulation and Research of lighting and surge protection in large scale photovoltaic plant[J].Telecom Power Technologies，2011，28（2）：13－18.

[11]STERN HJ，KÄ RNER HC.Lightning induced EMC phenomena in photovoltaic modules[J].Electromagnetic Compatibility，1993：442－446.

[12]RAKOV V A，UMAN M A.Lightning：physics and effects[M].Cambridge University Press，2003.

[13]JIANG Taosha.Electrical properties degradation of Photovoltaic modules caused by lightning induced voltage[D].Mississippi：Mississippi State University，2014.

[14]GB50057－2010，建筑物防雷设计规范[S].北京：中国计划出版社，2011.

[15]郭家宝，汪毅.光伏发电站设计关键技术[M].北京：中国电力出版社，2014.

[16]HAEBERLIN H，KAEMPFER M.Measurement of damages at bypass diodes by induced voltages and currents in PV modules caused by nearby lightning currents with standard waveform[C]//23rd European Photovoltaic Solar Energy Conference，Valencia，Spain，2007.

[17]JOSEF Birkl，PETER Zahlmann，OTTMAR Beierl.Surge protection for PV generators：Requirements，testing procedures and practical applications[C]//2009 International Symposium on Lightning Protection，Curitiba，Brazil，2009.

Calculation of Voltage and Current Induced by Lightning Electromagnetic Fields in Photovoltaic Modules

DOU Zhipeng1,2，YANG Zhongjiang1,2，LIU Jian1,2
（1.Key Laboratory for Aerosol－Cloud－Precipitation of China Meteorological Administration，Nanjing University of Information Science and Technology，Nanjing 210044，China；2.The School of Atmospheric Physics，Nanjing University of Information Science and Technology，Nanjing 210044，China）

Reliability requirements of photovoltaic（PV）systems become more important as the share of solar energy in our country energy balance continues to grow.Mechanisms of lightning damage to PV system equipments are presented concretely.Induced voltages in different protection ways in the PV module loop are also calculated.The equivalent circuits of PV module are established to calculate induced circuit currents.The results show that overvoltage in the loop increases with increasing of gradient of lightning current as well as distance between PV modules and lightning strike point.Magnitude and duration of induced current in bypass diode are smaller when bypass diodes are placed in reverse direction than in forward direction.Bypass diodes are vulnerable to lightning induced current and it is necessary to install surge protection devices such as transient voltage suppressor（TVS）and decrease the area of the loop.

PV modules；lightning；induced overvoltage；bypass diode

10.16188/j.isa.1003－8337.2017.03.009

2016－03－31

窦志鹏（1993— ），男，硕士，主要从事风机与光伏雷电灾害防护。

国家重点基础研究发展计划（973计划）资助项目（编号：2014CB441405）；国家自然科学基金资助项目（编号：41075025）；江苏高校优势学科建设工程资助项目（PADA）。