分布式光伏系统接入配电线路感应过电压特性分析

柴 辰,何一川,林 敢,周春天,黎 鹏

(1.湖北省输电线路工程技术研究中心(三峡大学),湖北 宜昌 443002; 2.三峡大学电气与新能源学院,湖北 宜昌 443002;3.南瑞集团有限公司(国网电力科学研究院有限公司),南京 211106;4.国网电力科学研究院武汉南瑞有限责任公司,武汉 430074;5.国网湖北省电力公司孝感供电公司,湖北 孝感 432000)

0 引言

“整县光伏”国家工程有利于整合资源实现集约开发与消减电力尖峰负荷[1-2]。随着分布式光伏系统大规模接入配电线路,配电网逐渐过渡为新形态的有源配电网[3]。运行经验表明,雷击是导致有源配电线路故障的主要原因之一[4],而雷击故障大多是由雷击附近地面或建筑物引起的感应过电压造成的[5]。因此,研究分布式光伏接入配电网后的感应过电压特性,对线路雷害风险评估及防雷配置优化具有重要的实际意义。

目前,关于配电线路的感应过电压计算已开展了较多研究,文献[6-7]考虑了土壤电导率对水平电场的影响,建立了配电线路雷电感应过电压计算模型;文献[8]改进了时域有限元法,并计算配电线路的感应过电压;文献[9]考虑了有损地面对径向电场的影响,建立了配电线路雷电感应过电压计算模型;文献[10]考虑了配电线路安装避雷器情况,建立了感应过电压计算模型;文献[11]考虑了大地电阻率和介电常数因素,建立了基于机器学习的雷电过电压预测模型。针对分布式光伏系统,主要研究光伏阵列的感应过电压特性;文献[12-13]建立光伏阵列的回路等效模型,计算阵列感应过电压特性并给出防护措施;文献[14]分析了大型光伏阵列回路中散射电压的传播对雷电感应过电压的影响;文献[15]考虑了光伏倾角、雷击点的影响,建立了山区光伏阵列电磁暂态三维模型,分析了3种不同安装模式下的感应过电压特性;文献[16]采用广义修正网格电流法,建立了光伏阵列细线系统的时域多端口模型,分析了不同因素对阵列感应过电压的影响。

综上所述,针对感应过电压的研究主要集中在配电线路或光伏阵列本身,实际有源配电系统中,有源侧和线路侧之间存在相互影响,感应过电压不仅会影响配电线路的稳定运行,还可能会使光伏侧设备损坏。因此,本研究以实际分布式光伏用户接入10 kV配电线路为例,建立了感应过电压计算模型,分析感应过电压对光伏侧和线路侧的影响规律,并提出防雷配置优化建议,为有源配电线路防雷设计提供参考。

1 有源配网感应过电压计算模型

1.1 分布式光伏系统介绍

某地区分布式光伏并网系统结构见图1,该地区有12户光伏用户,每户间隔距离为10 m,光伏电池板型号为ZXP6-72-350W,并网容量为20 kW,通过直流汇流箱连接到SG7/8K-D型逆变器,最后通过SHB-15型配电变压器连接到10 kV配电线路,变压器容量为240 kVA。

图1 分布式光伏并网示意图

单个光伏电池板具体参数:最大功率为350 W,短路电流Isc为9.42 A,开路电压Uoc为47.6 V,最大功率点电压Um为38.8 V,最大功率点电流Im为9.14 A[17-18]。光伏阵列绝缘耐压水平为8 kV[3],逆变器直流侧具有二级浪涌保护器SPD,其标称放电电流为15 kA,当流过SPD上的电流值大于15 kA时认为SPD损坏,此时逆变器也损坏,并网变压器的绝缘耐压水平为75 kV[19-20]。

1.2 感应过电压计算模型

根据图1所示分布式光伏用户并网结构及实际参数,建立的分布式光伏用户接入配电线路感应过电压计算模型,见图2。其中,官塘二站支线有4基杆塔,每基杆塔档距为30 m;白官线有10基杆塔,每基杆塔档距为50 m。雷电流采用 Heidler 模型[21-22],波形参数为:2.6/50 μs。

线路侧杆塔用集中电感表示,电感量为0.84 μH/m,塔高为15 m,接地电阻取10 Ω;配电线路采用贝杰龙模型[23];绝缘子用压控开关模拟,闪络电压U50%为100 kV;并网变压器作为连接光伏系统和配电系统的关键设备,选择合适的模型至关重要,由于雷电流频率很高,过电压无法在理想变压器高低压绕组之间传递,故本研究并网变压器采用考虑电容效应的 hybrid 模型[24]。

光伏阵列采用输出特性的物理模型描述[25],具体见图2所示的光伏阵列模型,每户光伏通过光伏电池板的串并联连接来达到实际发电量,直流电压源取574.5 V,并联的半导体固有电容CPV取值为18 nF,并联的半导体分流扩散电阻Rd取464 Ω,串联的短路温度电阻Rsc取4 Ω。

计量表对感应过电压传播起到衰减作用,采用电感和电阻模拟,电感值和电阻值分别为3 μH和0.001 Ω;汇流箱具有断路开关和过压保护功能,过压保护功能中主要元件是SPD,采用非线性电阻并联6.5 nF电容模拟,断路开关主要起到过流保护的作用,当流过汇流箱的电流超过断路开关电流预定值75 A时开关断开,反之开关闭合,模型中通过model语言编程实现。

逆变器是光伏并网发电的重要设备,主要完成直流变换到交流、最大功率点跟踪控制、交流电流控制、母线电压控制、脉宽调制控制等技术[26-27]。逆变器采用适合瞬态研究的电路模型描述,见图3,交直流侧主要考虑电阻损耗Rdcs、Rgs和接线电感Ldcs、Lgs,分别取0.1 Ω、3 Ω、1 μH、0.1 μH,直流侧母线电容CDC取值为2 400 μF,分流电容Csh和对地电阻Rsh取值为0.1 nF、250 Ω,半导体材料也用固有电容Csc表示,取值为1 nF[28]。

图3 逆变器模型

雷击接闪器和金属边框都能在光伏阵列上产生感应过电压,由于本研究的光伏阵列没有安装接闪器等防护措施,故仅模拟雷击阵列金属边框的情况,来分析12组光伏阵列处感应过电压产生过程;光伏阵列的金属边框大多是铝合金材质,考虑到雷电波从雷击位置到阵列支架底部传播时需要时间,故金属边框采用波阻抗模型表示,光伏系统感应过电压计算模型通过model语言编程实现,具体模型见图2[29]。其中,光伏阵列感应过电压Ui与金属边框电流i的关系见式(1)。

(1)

式中,kc为雷电流分流系数,取值为0.44,Mi为接闪导体与光伏阵列导体环路间的有效互感系数,计算公式见式(2)。

(2)

式中,RF为金属边框衰减因子,取值为4;μ0为真空磁导率,4π×10-7N/A2;b为导体环路宽度,取值为0.592 m;d为导体环路距金属边框的距离,取值为0.2 m;r0为回路线缆的等效半径,取值为0.296 m。

雷击配电线路侧附近地面时,线路的感应雷过电压计算利用 model 语言编程实现,可同时计算三相线路上的感应过电压,考虑因素如下[29]:

1)雷电通道主放电过程极短,认为雷电流的速度不变,等效为一条理想的传输线,故雷电回击通道采用 TL 模型(transmission line model)模拟。

2)10 kV配电线路上产生的感应过电压为入射电压与散射电压之和,雷电通道周围电磁场与配电线路的耦合采用 Agrawal 多导体传输线模型。

3)回击速度为1.5×108m/s,大地电导率为0.001 S/m,相对介电常数为10。

2 感应过电压特性仿真分析

用幅值为30 kA雷电流雷击有源配电系统不同位置时,分析配电线路侧和光伏侧感应过电压变化规律。选择的雷击位置见图4,分别为:光伏侧—雷击用户金属边框;线路侧—雷击官塘二站支线4号杆塔附近的地面。

图4 雷击示意图

2.1 雷击配电线路侧感应过电压分析

雷击官塘二站支线4号杆塔附近的地面(垂直距离为65 m)时,计算得到变压器高压侧(配电线路侧)、并网接入点(变压器低压侧)、汇流箱入口处过电压情况见图5。

由图5可知,当雷击4号杆塔附近的地面时,配电线路侧和光伏侧的电压均出现明显波动,并呈衰减趋势。此时,并网变压器的高压侧过电压幅值达到173 kV,存在损坏的风险;并网接入点和汇流箱入口处距雷击点位置较远,其过电压幅值较小,过电压峰值分别约为:5 kV和1.1 kV。可见,当雷击临近光伏侧的4号杆塔附近地面时,光伏侧也会出现过电压,由于逆变器交流侧没有安装SPD,产生的过电压可能会使逆变器损坏。

为进一步分析配电线路感应过电压的变化规律,分别取距4号、3号、2号、1号杆塔垂直距离65 m 处作为雷击点,计算有源配电线路不同位置感应过电压幅值,见表1。

表1 不同雷击位置下感应过电压

由表1可知,雷击点位置距并网变压器的距离越远,并网变压器高压侧、并网接入点和汇流箱入口处的感应过电压越小;当雷击点位于2号杆塔附近地面时,变压器高压侧的感应过电压峰值为35 kV,低于变压器的绝缘耐压水平;因此,当雷击点位于靠近变压器的3号和4号杆塔附近地面时,线路上产生的感应过电压可能使变压器出现损坏。

2.2 雷击光伏侧感应过电压分析

该地区有12户光伏用户,当雷击用户1时在其他11户用户的光伏阵列处也能产生感应过电压,雷击用户1的金属边框,分析不同用户光伏阵列处的感应过电压见图6。

图6 各用户阵列处感应过电压

由图6可知,随着光伏阵列距雷击点的距离增加,在光伏阵列处的感应过电压呈下降趋势;距金属边框最近的光伏阵列处产生的感应过电压最大,用户4的光伏阵列过电压幅值为6.8 kV,低于阵列的绝缘耐压水平,故距离金属边框30 m外的光伏用户阵列不存在损坏的风险。

雷击用户1的金属边框时,得到用户1光伏阵列、汇流箱、逆变器直流侧过电压波形见图7。

图7 过电压波形

由图7可知,雷击用户1的金属边框时,光伏阵列和汇流箱处过电压波形呈衰减振荡特点,光伏阵列产生的感应过电压峰值达到65 kV,光伏阵列存在损坏的风险;汇流箱处产生的过电压峰值为45 kV,使逆变器直流侧的过压保护动作,最终逆变器直流侧的过电压为1.8 kV,从而使逆变器不受过电压的影响。

在研究过电压的过程中,由于逆变器直流侧过压保护将逆变器直流侧感应过电压限制在1.8 kV,导致变压器高压侧的过电压衰减到0,因而配电线路侧电压幅值为8 kV,光伏侧感应过电压不会对配电线路造成影响。

综上所述,当雷击4号、3号杆塔附近的地面时,光伏侧会出现过电压,光伏设备存在损坏风险;当雷击光伏阵列金属边框时,由于光伏系统中汇流箱及逆变器直流侧具有过压保护,故在光伏阵列处产生的过电压可能使阵列损坏,但不会影响汇流箱及逆变器等设备,因此光伏侧感应过电压一般不会对线路侧运行产生影响。

3 防雷配置优化方法

由上述分析可知,配电线路侧产生的感应过电压可能会损坏光伏侧设备,因此,需提出相关措施减少配电线路侧对光伏系统的影响。

由于实际雷电流幅值大多为30 kA,雷击4号杆塔对光伏侧的影响最大,故重点考虑雷击4号杆塔附近地面时的防雷配置策略。雷击点位于4号杆塔附近地面时,能使配电线路上4号、3号杆塔闪络。

为了减小配电线路侧感应过电压对光伏侧的影响,本研究考虑3种防雷措施进行对比,分别为:1)在并网接入点安装SPD;2)并网接入点安装SPD加变压器高压侧安装避雷器;3)并网接入点安装SPD加变压器高压侧和3号杆塔上安装避雷器,防雷措施安装示意图见图8。

图8 防雷措施安装示意图

选取SPD型号为WD1-A15,标称放电电流为15 kA,当流过SPD的电流小于15 kA时,SPD正常工作(小电流呈高阻态,大电流呈低阻态);当流过 SPD 电流超过15 kA时,SPD故障断开。选取避雷器型号为YH5W-17/50。

计算得到安装防雷措施前后的变压器高压侧、并网接入点、汇流箱入口处过电压峰值见表3。

表3 各部分感应过电压

由表3可知,在变压器高压侧安装避雷器后,变压器高压侧过电压峰值为44 kV,对比没安装避雷器时过电压数值明显下降,安装避雷器能有效保护变压器;在并网接入点安装SPD后,并网接入点过电压峰值为1 kV,汇流箱入口处过电压峰值为0.9 kV,SPD有很好的钳制电压作用,能有效降低过电压对设备的影响,但对其他临近没有保护作用;在3号杆塔安装避雷器后,3号杆塔绝缘子不会闪络,能有效防止感应过电压对3号杆塔的影响。

4 结论

根据分布式光伏系统接入10 kV配电系统的结构及参数,建立了感应过电压计算模型,分别分析了线路侧和光伏侧感应过电压特性,获得的结论如下:

1)雷击并网变压器杆塔附近地面时,配电线路侧产生的感应过电压使光伏系统电压明显升高,并网接入点、汇流箱分别产生5 kV、1.1 kV过电压,影响光伏系统的稳定运行,甚至导致光伏设备损坏。

2)当雷击阵列金属边框时,光伏侧产生的过电压能使距金属边框30 m内的阵列损坏;由于汇流箱、逆变器直流侧具有过压保护,光伏侧过电压对配电线路侧影响较小。

3)当有源配电系统线路侧遭受雷击时,在变压器高压侧安装避雷器能有效保护变压器不被损坏;在并网变压器低压侧安装SPD后,能有效减小配电线路侧的感应过压对光伏系统的影响,从而保证光伏系统的正常运行。