光伏发电系统雷电危害及防护研究

发布时间：2020-10-18 03:26

　　光伏发电作为一种清洁无污染的可再生能源,得到世界各国的大力开发和利用。装机容量和规模的不断扩大也使得其占地面积随之增大,众多设备长期暴露在空旷区域,更易遭受雷电灾害威胁,从而严重影响整个系统的安全平稳运行。因此需要对光伏发电系统的雷电危害进行详细的研究,为光伏发电系统的雷电防护提供参考和指导。本文首先介绍了光伏发电的系统结构,分析了雷电对光伏发电系统产生危害的各种途径以及对光伏各组件具体的损坏机理,并对包括变电站在内的整个光伏发电系统进行了雷电防护区域划分。然后具体分析了光伏系统在两种不同接闪方式下雷电电磁感应过电压的产生和计算,通过建立光伏组件等效电路模型,分析了旁路二极管上承受的雷电感应过电流。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,且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2m,10/350μs波形的感应过电压幅值仍然可以达到8.1kV,大大超过了回路耐压水平;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,同时减小回路线缆面积。其次利用ATP-EMTP软件建立了包括光伏阵列、汇流箱、逆变器、传输电缆等完整的光伏系统仿真模型,对光伏系统的直击雷过电压进行了分析。研究发现光伏系统各设备雷击过电压与电流波形呈现较为明显的衰减振荡特点,设备距离雷击点越远,过电压和电流幅值越低;随着雷电流幅值的增加,汇流箱和逆变器过电压均呈现出上升趋势,汇流箱过电压受雷电流幅值影响更为明显,30kA雷电流冲击下的过电压均超过二者的对地过电压耐受能力8 kV,对设备绝缘造成极大危害;设备过电压幅值随接地电阻的增大而增加,设备损坏概率也相应增大,需要尽可能将地网接地电阻限制在10Ω以下;安装SPD可以显著降低设备过电压幅值,在逆变器前端安装SPD后,其过电压降低了71.6%,得到大幅抑制,防护效果良好。最后通过搭建相应的模型,分析光伏电站的雷电波侵入危害。仿真结果表明:无论是雷击避雷线还是雷击导线雷电波均会侵入光伏电站,在变压器高压侧产生较大的浪涌过电压,对变压器造成威胁;雷电侵入波过电压随时间的变化表现出振荡衰减的趋势,雷击点距离越远,衰减越快,而且过电压幅值随着雷击点距离的增加也迅速减小;在变压器高压侧安装避雷器后,雷击距变压器100m处导线时,过电压减小了 75.5%,低于变压器高压侧耐受电压值200kV,且过电压波形振荡频率也趋缓,表明避雷器防护效果明显,但其防护效果受接地电阻影响较大,当接地电阻从2Ω增加到80Ω时,变压器高压侧过电压增加了约3倍,因此需尽量将接地电阻阻值控制在较小范围内。
【学位单位】：南京信息工程大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TM615;TM863
【部分图文】：

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２．１光伏发电简介??２．１．１我国光伏发电发展概况??光伏发电作为当下绿色新能源之一，近几年在中国得到了迅速发展。图２．１是中国??能源局给出的中国２００８年－２０１６年的光伏累计装机量和新增装机量统计数据。??９０??７７＾?４０??８０??７０?－３０??ｓｏ????３〇?２８＾５－：ｇ＾３｜－，１５??２。??７?咏』．，５?－１０??１０?０．１４?（Ｘ２８?０－８６?＂＂＂＂５??２００８?２００９?２０１０?２０１１?２０１２?２０１３?２０１４?２０１５?２０１６??■■光伏累计装机量光伏新增装机量??图２．?１我国光伏累计装机量和新增装机量统计ｔ３３ｌ??从图中可以看出，我国光伏发展起步较晚，在２０１０年之前，我国光伏累计装机容??量不足１ＧＷ，占全球装机总容量不足１％。但是我国为了加快能源结构转型，推动经济结??构升级，提出了一系列政策，鼓励扶持光伏发电行业的发展。在政策扶持，技术进步，??成本下降，需求拉动等多方驱动下，我国光伏发电行业迎来了高速发展时代。从２０１３??年起，我国光伏新增装机容量每年均突破１０ＧＷ，到２０１６年我国累计装机容量达到??７７．?４２ＧＷ

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图２．?３光伏系统遭受损害的原因统计??对光伏发电系统的危害途径分析??直击雷危害??统的光伏阵列由于其巨大的占地面积、大规模暴露的电现象发生时，其瞬时能够产生高达几十至几百千安培阵列裸露在外的金属部位时，如果光伏发电系统无防雷大的雷电流会导致光伏系统内部组件的大规模损坏，严毁，可能造成整个光伏电站的瘫痪。??雷电感应危害??应可以分为静电感应和电磁感应两部分：当雷云经过上会感应出与雷云极性相反的电荷，当雷云放电时，中感应出的电荷失去束缚也会沿着导体得到快速释放，静电效应；当雷云放电时，快速变化的雷电流使得在闪

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