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      光伏電站逆變器接地異常及設(shè)備安全保護(hù)分析

      2021-11-27 13:33:58明勇
      魅力中國(guó) 2021年47期
      關(guān)鍵詞:支路電站絕緣

      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。

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