光伏電站逆變器接地異常及設備安全保護分析

明勇

（江蘇林洋電力服務有限公司南京分公司，江蘇 南京 210000）

前言：光伏效應最早發掘于19 世紀30 年代，起初只局限于理論研究層面，至20 世紀中葉，單晶硅太陽電池出現以后，光伏發電方向才正式被打通，后伴隨科技環保理念的進步，發電組件不斷更新，組網應用方式也更加多樣。在我國，僅通過逐年上漲的光伏發電裝機總量，就可以窺見其發展態勢之迅猛，不過，盡管光伏發電優點良多，其接地安全問題仍需引起重視。

一、光伏電站及接地系統概述

與傳統電能生產方式不同，光伏發電采用直接轉換的方式，省略了中間的熱過程，電能損耗降低，生產過程也更加清潔，太陽能電池、蓄電池是其主要的能量接收、存儲裝置，搭配控制器、逆變器等裝置，共同完成電能供應。當前常見的光伏發電系統共有3 類，獨立光伏發電系統最大的優勢是能夠滿足離網運行需求，在邊遠、鄉村地區較為常見；集中式并網系統中，設備體積較大，能夠將由太陽能轉換得到的電能集中并入電網系統，再由電網系統統一負責調配；分布式光伏發電系統中，儲能裝置體積更小，布局也相對分散，可以有效利用住戶、商戶屋頂、墻面等處的光照資源，建設過程便捷快速，應用十分廣泛，本文主要以分布式光伏發電系統為例，研究其逆變器接地故障及設備安全防護策略。

分布式光伏發電系統結構規整，光伏組件是其主要組成部分，通常借助支架進行固定，安裝時需要與地面保持一定夾角，以提升太陽能接收效率。經過一段時間的陽光照射后，組件會在光伏效應支持下，完成直流電壓的生產過程，并遵循串并聯的方式，與逆變器輸入端建立聯系。逆變器通過波形調制，發出適用于直流轉換的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，完成整個電能供應流程。光伏電站接地系統設計是一個較為復雜的過程，由于光伏電站系統位置大多空曠、開闊，遭受雷擊的風險相對較大，因此要科學確定防雷類別，以《建筑物防雷設計規范》為依據，進行針對性分析，對于直擊雷來說，雷電通道中溫度急劇膨脹，空氣中水分受汽化效應限制，沖擊機械力會呈現指數級上漲趨勢，使周圍建筑、設備遭受損傷，設計時應當從多角度展開防護。比如優化接閃器材質、布局，將建筑內部鋼筋作為引下線，提升接地防護性能，在光伏方陣中，增設人工接地網等。

其次，閃電電涌侵入也是較為常見的危害，當雷擊發生在線路附近時，劇烈的電流變化將會提升風險等級，導致交變磁場的產生，若附近存在金屬導體，會進一步生成感應電流，這種電流沿著管線入侵，就會直接造成機房設備的損壞，嚴重時還可能造成人員傷亡。對于該種隱患，光伏電站建設過程中，應當選用屏蔽電纜，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，同時做好起始處、末端的接地防護。在匯流箱內部，也可以裝設直流電涌保護器，注意審查裝置的技術參數，額定沖擊電流必須在12.5kA 以上。對于送出電路來說，隱患主要集中在變壓器高壓側，可以借助避雷器完善接地系統，完成電涌電流的導出。

最后是雷擊電磁脈沖，當雷擊地點靠近建筑物時，電流會直接作用于防直擊系統，過程中容易產生迅變電磁場，對周圍電子設備產生不利影響，當周圍存在光纖電站機房時，就會產生通訊、監控異常現象，導致設備失效。對于該種脈沖來說，防護措施主要針對機房設備，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，系統設計時，要以電流出入端為對象，統一設置等電位連接，對于機柜、金屬管等構件，則要確保其與接地基準點相連，連接方式沿用最短路徑，盡量避免電位差的產生。

二、光伏逆變器接地異常的影響

光伏電站系統規模較為龐大，處于屋頂、室外工作環境的部分較多，除太陽能光伏組件外，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，這些設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，即使系統中已經裝配有防雷器件，也很難完全規避高壓風險，如果線路內電壓在短時間內急劇升高，就可能破壞直流系統原有的絕緣防護，帶來正負極側的接地風險，使得逆變器發出異常告警。除天氣影響外，絕緣材料本身質量、鳥獸啃咬線路、塵土潮氣侵蝕等，均會導致絕緣性能降低或失效問題，引發逆變器故障異常。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，否則將會造成極其嚴重的后果。

（一）影響系統正常運行

逆變器是光伏電站中關鍵的調整裝置，主要由半導體器件構成，能夠以光伏組件產生的直流電為原料，進行交流電轉換，當直流電經由輸入通道進入，回路會率先對其進行增壓，當其滿足直流電壓后，進入逆變器橋式回路，以等價轉換為原則，進一步變為交流電壓。從原理上看，晶體管是其中的重要構件，通過重復操作開關元件，完成交流轉化。當前伴隨光伏電站規模的擴大，這種落后形式很難滿足需求，高頻脈寬調制技術進入研究視域，其可以在自動化思路之下，對正弦波兩端的電壓進行調制，使其按照一定規律變窄，波中央的電壓則采用相反方式調制，使其電壓寬度變寬，這樣一來在半周期內部，開關元件就會始終面向統一方向，以統一頻率動作，最終形成脈沖波列，經過濾波器處理后，就會產生正弦波，完成交流電轉化。可以說逆變器直接關系著光伏電站的正常運行，一旦其發生故障，整個電站都將面臨無法運行的困境，從而給電站帶來經濟財產損失。

（二）阻礙絕緣阻抗檢測

在光伏電站中，逆變器不僅是重點防護對象，還是開展接地檢測的重要主體，它可以直接檢測光伏組件正負極，判斷其接地絕緣阻抗參數是否在正常范圍內，以UPVmax 除以30mA 為標準，如果測得的直流絕緣電阻小于該數值，非隔離逆變器就應當顯示異常，并對該線路接入電網的行為進行限制。其檢測功能主要建立在不平衡電橋法原理基礎之上，以絕緣正負極為檢測對象，將其阻抗Riso+、Riso-作為電橋的一端，測量電阻R1、R2、R3 作為電橋的另一端，在不同運行條件下，對R3 兩端進行分壓測量，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際狀況。假設組件正極為Uoc+，負極則為Uoc-，K1 代表測試繼電器，Uiso 則代表測量電壓，取正負極中心點，設為PE。將上述檢測電阻R1、R2 與中心點相連接后，操作繼電器啟閉按鈕，分別得到計算值，當逆變器存在異常，就相當于其中某段支路發生斷連，不平衡電橋回路難以成型[2]，直接表現為R3 兩端電壓異常，致使絕緣阻抗計算出現較大偏差，阻抗檢測失效。

（三）增加安全事故風險

從前述分析中可以發現，當逆變器發生接地故障，會喪失阻抗檢測的能力，而分布式光伏電站中，組件數量眾多，一旦正負極出現接地異常，逆變器很容易與繼電器發生吸合問題，擴大到電站所連接的電力網絡中去，借助輸出電感，經由逆變橋體二極管完成故障擴散，當負極接地時，故障主要作用于三相電壓負半周期，并在負半周期內部形成獨立回路[3]；當正極接地時，故障則主要集中于正半周期，同樣形成幾個相互獨立的回路。根據歐姆定理，對于交流電網來說，電壓負半周期的電流有最大額定值，計算公式為：Idmax=Uacpeak/ωL。假定在20kW 并網中，設定電壓為380V，輸出濾波電感設為1mH，其額定電流應當為30.3A，計算后發現，最大電流值大約為990A，與額定電流相比，呈幾十倍的關系，很容易使逆變器出現過流炸機的事故，危害電網安全。

三、光伏電站逆變器設備安全保護策略

（一）優化選型應用

逆變器在光伏電站中具有極高的應用價值和地區，其本身性能、質量與電站運行效率、接地故障預防有較大聯系，集中式逆變器、組串式逆變器應用均十分廣泛，前者單位功率成本較低，在集中管理場景中，具有較強的應用優勢，但直流部分系統較為復雜；后者輸出功率相對較高，即使沒有直流匯流箱、配電柜等裝置的支撐，也可以完成轉換任務，發生接地故障時，影響會相對較小，但單位功率成本較高，并聯超過40 臺以上，還可能導致總諧波過高的問題，選型時要做好針對性分析，分布式光伏發電系統中，組串式逆變器要相對適用，對接地故障的適應性也相對較高。

（二）增設預判支路

逆變器接地故障危害較大，可能導致電網短路、設備過流等狀況，導致安全事故的發生，考慮到直流電流并不通過IGBT，即使封鎖斬波脈沖，也無法達到設備防護的目的，而分段接觸器在運行過程中，可能存在幾十毫秒的延遲，同樣很難達到有效防護。基于此，本文推出一種新型保護方案，即增設預判支路，支路中應當包含繼電器與電阻，在逆變器與系統繼電器發生聯系之前，支路繼電器會先發揮作用，以電流為依據對接地異常狀況進行篩查，若發現異常現象，則發出聲光告警，并禁止相關設備啟動；若接地結果顯示良好，則允許通過電流，執行正常的啟動流程。為避免電阻過大引起不必要的損耗，選型時應當予以充分關注，對于流經IGBT，同時反并聯二極管的電流來說，不能超過最大輸出電流，即Idmax 要小于等于Uacpeak/R。假設應用場景為20kW 并網，電壓設定為380V，其逆變器的接地系統中，預判支路電流應當有上限值，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致接地異常，一旦異常狀況出現，逆變器絕緣阻抗檢測功能將面臨失效，還可能導致設備過流炸機，后果十分嚴重，技術人員應當對其異常提示給予充分重視，立足光伏電站運營實際，優化逆變器選型應用，同時可嘗試通過增設預判支路的方式，加強設備安全防護，提升電網運行安全性。