光伏发电系统低压浪涌保护器的选择

何朝阳，邱 晶，沈嘉骥，韩晓员，徐殿飞，戴 轩

（苏州爱康能源工程技术股份有限公司，张家港215600）

1 引言

光伏发电主要是通过光伏电池将吸收到的光能转化为直流电能，直流电能通过逆变器转化为交流电能送上电网[1]。光伏电站一般都建在屋顶或是边远山区，相对地势较高，在雷雨天气多发的地区容易遭受闪电而导致设备损坏。另外光伏发电系统中运用了大量的精密设备，像逆变器、控制器和监控设备等耐压水平低，虽然装置在屋内，但是连接的电子线路却容易遭到感应雷过电压及操作过电压的入侵，导致内部电子设备的损坏[2-3]。对感应雷的防护一般采用浪涌保护器（SPD）来实现。

光伏电池板与其接地金属边框之间长期存在一个负高压，在这个负高压的作用下，玻璃、封装材料之间存在漏电流，大量电荷聚集在电池片表面，使得电池表面钝化效果恶化，导致光伏电池性能持续衰减的现象，业内称之为电位诱导衰减（PID）。试验表明，光伏电池衰减的速度不但与环境温度、湿度、污染程度有关，也与玻璃以及EVA等封装材料有关。PID效应对光伏发电系统发电量的影响极为明显，逆变器主流设备厂家在逆变器侧增加了一种功能模块作为减弱PID效应的措施。抗PID模块的采用，改变了电路的结构，会造成交流电压低压侧对地电压的变化[4-5]。

据调查，在西部对老的光伏电站进行抗PID改造时，忽略了因电路结构的变化与设备上原已安装的SPD不匹配这个问题，造成运行一段时间后出现SPD发热损坏严重的现象。研究试从原理上就SPD选型、抗PID工作原理，以及根据电气的绝缘和配合原则对SPD器件的选型做出说明。

2 分类及技术参数

2.1 分类

浪涌保护器按元件性质分类：开关型、限压型、组合型[6]。

(1)电压开关型SPD

无电涌出现时为高阻抗，当出现电压电涌时突变为低阻抗。通常采用放电间隙、充气放电管、闸流管和三端双相可控硅元件,也称“短路型”SPD。

(2)电压限制型SPD

没有电涌时具有高阻抗，但随着电涌电流和电压的上升，其阻抗跟着连续变小。通常采用压敏电阻、抑制二极管等元件，也称作“箝压型”SPD。

(3)组合型SPD

由电压开关型元件和电压限制型元件组合而成，其特性随所加电压的特性可以表现为电压开关型、电压限制型或两者皆有。

2.2 技术参数

标称电压Un：与系统的额定电压相对应，指系统的交流电压有效值或直流电压。

最大持续工作电压Uc：可持续加于电气系统电涌保护器保护模式的最大方均根电压或直流电压；可持续加于电子系统电涌保护器端子上，且不致引起电涌保护器传输特性降低的最大方均根电压或直流电压。最大持续工作电压Uc也称为SPD的额定电压。

雷电冲击电流Iimp:由电流幅值Ipeak、电荷量Q和比能量W/R所限定，特征电流波形为10/350μs。

标称放电电流In：流过SPD具有8/20μs波形的电流峰值，也称额定放电电流。

最大放电电流Imax：电涌保护器能够安全泄放的8/20μs波形的电流峰值。Imax值应该大于In的值。

电压保护水平Up：表征SPD限制接线端子间电压的性能参数，其值可从优选值的列表中选择。该值应大于限制电压的最高值。

3 原理分析

3.1 集中式逆变器电路拓扑

集中式逆变器的设备功率在50KW到630KW之间，功率器件采用大电流IGBT，系统拓扑结构采用DC-AC一级电力电子器件变换全桥逆变，工频隔离变压器的方式，其中集中式逆变器的DC-AC拓扑结构如图1所示。

图1 集中式逆变器的DC-AC拓扑结构图

由图1知，设负载中心点N与直流电源假想中心点N′之间的电压为，则负载各相的相电压可以由下式求出。

图2 的波形图

在图1中，C1、C2分别为光伏系统正、负汇流极对大地的分布电容，U1、U2为C1、C2电容两端电压，则U2=Ud×C1/（C1+C2）；一般C1、C2电容值近似相等，则U2=Ud/2，汇流极负极对大地之间的电压为-Ud/2；由于汇流极负极和光伏组件中的电池板负极电力电缆直接连通，光伏组件金属边框与大地通过接地导线连通，这样电池板负极和金属边框之间长期存在一个负高压，该数值等于-Ud/2；正是由于这个负电压加剧了PID效应。

为了消除这个负压，比较直接的方式是光伏汇流极负极接地，每个光伏电池组串电池板负极与组件边框之间的电压为非负，这从抗PID原理上是可行的[7-8]。这种方案只适用于隔离型光伏逆变器，但有两个弊端：1、光伏汇流极负极直接接地，系统直流电压加在光伏汇流极正极与大地之间，触碰正极有触电的危险；2、如光伏汇流正极出现绝缘下降，容易产生电弧，引发火灾事故。

3.2 虚拟接地方案

利用虚拟接地方案，可以消除光伏组件对大地的负压。此方案通过抬升N点对地电位，间接改变光伏组件负极对地电位，使得光伏组件负极对地电位稍高于0，以实现抗PID的功能。加入抗PID模块的集中式逆变器的DC-AC拓扑结构如图3所示。

图3 加抗PID模块的集中式逆变器的DC-AC拓扑结构图

如图3所示：电容C3、C4（两者容量相同）为逆变器直流母线之间的薄膜电容，在负载中性点N与大地之间偏置一个幅度可调直流偏置电压源DC，DC极性为上正下负。显然，N′对直流汇流负极的电压为Ud/2；通过N点对地电压的偏置，则N′对地电压UN'E=±Ud/6+UDC；汇流极负极对地电压最小值Umin为：Umin=UDC-2/3Ud；汇流极负极对地电压最大值Umax为：Umax=UDC-Ud/3。显然如 UDC≥2/3Ud，则 Umin≥0；亦即切断了因负压而产生PID现象的渠道，由于UDC输出电压可以调节，故方案可以方便的实现。

4 光伏发电系统选用SPD注意事项

光伏逆变器的逆变桥为大功率半导体器件，具有非线性的特点，逆变器为防止桥路上下臂直通造成设备损坏，功率器件的驱动脉冲插入了死区时间；所以逆变器交流输出波形对地谐波含量相对较大。故选用SPD以下几条需要注意。

(1)应避免使用开关型产品，直流续流不宜关断。

(2)交流侧应避免使用限压型产品。

(3)考虑到SPD的性能退化或寿命结束后可能产生短路故障对系统运行的影响，应在SPD前装设过电流保护器或SPD内部的脱离器。

(4)为监视SPD的老化和运行状态，SPD宜带有有老化显示及过载热分断装置和失效指示功能，一般采用监控辅助触头的SPD。

光伏系统用SPD宜采用的结构如图4所示。

图4 光伏系统SPD宜采用的结构

该结构特点如下：

(1)采用混合式结构，充分利用GDT无漏流、寄生电容小的特点，彻底避免谐波对MOV的影响；

(2)有雷击浪涌时，GDT击穿，GDT的电压降到70V左右，剩余电压加到MOV上，MOV导通，形成泄放通道，泄放雷电流；

(3)雷击浪涌消失后，MOV不能维持导通而截止，GDT因没有维持电流而截止，SPD截止，有效避免工频续流现象;

(4)无雷击浪涌时，电压全部加在GDT上，MOV不受电应力，MOV老化寿命更长，SPD的实际使用寿命得到有效延长;

(5)较低的谐波电流（通过SPD对地）：有谐波时混合式结构的漏电流只有5μA；同比未串联间隙的压敏电阻谐波电流减小600倍。减轻了因长期漏电流过大造成SPD发热而降低使用寿命。

5 光伏系统SPD性能选型及配合性原则

SPD性能选型主要包括：电压的保护水平、电涌电流、最大持续工作电压Uc、系统故障引起的暂时过电压、安全性能的要求。

限于篇幅对SPD的电压保护水平Up的选择、电涌电流的选择不作描述，可以参考相关的书籍。对额定工作电压Uc的确定做举例说明。

根据经验，直流系统的SPD额定工作电压Uc值为被保护系统额定电压的1.5倍左右，考虑分布电容的影响，光伏系统直流侧正负对地电压均不超过系统额定电压，目前光伏组件耐压一般为1000V，Uc按1000V选取即可满足要求。

设有一集中式逆变器，其直流耐压为1000V，实际最大直流工作电压DC750V；交流输出额定电压AC360V，输出电压范围AC288～414V；额定工作频率50Hz，线制三相三线制，无中性线。集中逆变器直流侧浮地，交流侧采用虚拟构造中性点安装抗PID模块的方式。根据以上条件确定交流侧SPD器件的额定工作电压数值。

经分析，SPD额定工作电压Uc不应低于系统中可能出现的最大持续运行电压UCS，此时应考虑系统最大电压偏差值及短时过电压，计算时需注意每相对地之间叠加了直流电压（共模电压）。

抗PID模块工作电压UDC=2/3×750=450V，考虑1.1 倍安全余量，选 UDC=1.1×450V=495V，取 500V。逆变器输出线电压按有效值的上限AC414V考虑，则每相对系统虚拟中性点的电压为相电压，其有效值，峰值电压 240×1.414=339V;故系统每相对地最大持续运行电压峰值Um=495+339=834V;有效值考虑SPD的老化因素，额定工作电压应不小于AC589×1.1=AC648V。

SPD应考虑持续时间较长的暂时过电压，应能承受由于低压系统故障引起的暂时过电压（TOV），并能在高压系统发生接地故障时引起的暂时过电压下正常工作或安全性失效。由于逆变器交流输出侧中性点不接地，故如线路发生单相接地故障，则健全相的相对地电压值上升为线电压，即AC414V；考虑SPD的老化因素，额定工作电压应不小于AC414V×1.1=AC455V。

综上：SPD的额定工作电压 Uc应不小于AC648V，如选 AC650V。

6 结束语

从抗PID模块工作原理出发，结合SPD的各种技术参数，介绍了光伏系统中SPD选用的注意事项，并对其关键参数额定电压Uc的选择进行论证。该研究已应用于河北磁县池上20MW光伏电站、山东临朐福山祥泰20MW光伏电站等项目一年多，至今SPD运行正常，因此具有较强的选型推广价值。

参考文献：

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