光伏并網(wǎng)發(fā)電系統的雷電監控系統研究

1 引言

　　隨著(zhù)人類(lèi)對能源需求的日益增加，地球上化石能源的儲量正日趨枯竭。開(kāi)發(fā)利用可再生能源和各種綠色能源以實(shí)現可持續發(fā)展，是人類(lèi)必須采取的措施。太陽(yáng)能是近年來(lái)我國新能源利用領(lǐng)域的發(fā)展方向，是符合可持續發(fā)展戰略的理想的綠色能源。太陽(yáng)能光伏并網(wǎng)發(fā)電是太陽(yáng)能最主要和最重要的應用，其主要組成部分光伏電站太陽(yáng)電池陣列均位于戶(hù)外。因此，為了確保系統可靠和安全地工作，必須解決太陽(yáng)能光伏并網(wǎng)發(fā)電系統的防雷避雷問(wèn)題。

　　然而，目前人們尚不能對雷電加以有效利用，而只能對它采取相應的預防性措施，變被動(dòng)引雷為主動(dòng)引雷，以減少雷電帶來(lái)的各種災害。我國大部分的樓層建筑，防雷措施一般采用避雷帶、避雷針和安裝閥型避雷器等裝置。但是，將現行的防雷技術(shù)用于太陽(yáng)能光伏并網(wǎng)發(fā)電系統，一方面，由于大面積的太陽(yáng)電池板已占據了屋面，特別是與建筑材料一體化的光伏屋頂，它們的水、電循環(huán)系統都可以成為雷電的載體，所以，從安全角度考慮，要求有更高性能的避雷技術(shù)才不致于使太陽(yáng)能光伏并網(wǎng)發(fā)電系統及人類(lèi)受到侵害；另一方面，按傳統的避雷技術(shù)，要使整個(gè)太陽(yáng)能光伏并網(wǎng)發(fā)電系統都不受雷電侵襲，必須嚴格按照技術(shù)標準安裝避雷帶、避雷針群等裝置，且對間距和高度都有很高的要求。否則，難以保證安全。如何讓太陽(yáng)能光伏并網(wǎng)發(fā)電技術(shù)和新型避雷技術(shù)有機地結合在一起，組成實(shí)用、美觀(guān)、安全可靠的一體化避雷系統，是目前亟需研究并解決的重要課題。對光伏并網(wǎng)電站的太陽(yáng)電池陣列、控制器和逆變器進(jìn)行多級、綜合雷電防護，是本文研究的重點(diǎn)。

2 系統組成及工作原理

　　太陽(yáng)能光伏并網(wǎng)發(fā)電系統的運行方式主要可分為離網(wǎng)運行（即獨立太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統）、聯(lián)網(wǎng)運行（聯(lián)網(wǎng)太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統）和混合系統三大類(lèi)。無(wú)論是離網(wǎng)運行，還是聯(lián)網(wǎng)運行，目前對它遭受雷擊狀況的檢測與控制的雷電監控系統的研究尚在發(fā)展中。太陽(yáng)能光伏并網(wǎng)發(fā)電系統主要由太陽(yáng)電池板（組件）、控制器和逆變器三大部分組成。其工作原理是：太陽(yáng)電池組件產(chǎn)生的直流電經(jīng)并網(wǎng)逆變器轉換成符合電網(wǎng)要求的交流電之后，直接進(jìn)入公共電網(wǎng)，光伏電池方陣所產(chǎn)生的電力除了供給交流負載外，多余的電力反饋給電網(wǎng)。在陰雨天或夜晚，太陽(yáng)電池組件沒(méi)有產(chǎn)生電能或者電能不能滿(mǎn)足負載需求時(shí)，就由電網(wǎng)供電。由于太陽(yáng)能發(fā)電直接供入電網(wǎng)，免除配置蓄電池，省掉了蓄電池儲能和釋放的過(guò)程，減少了能量的損耗，并降低了系統的成本。但是，系統需要專(zhuān)用的并網(wǎng)逆變器，以保證輸出的電力滿(mǎn)足電網(wǎng)對電壓、頻率等指標的要求。因為逆變器效率的問(wèn)題，會(huì )有部分能量損失。這種系統并行使用公用電網(wǎng)和太陽(yáng)電池組件陣列作為本地交流負載的電源，減低了系統的負載缺電率，而且并網(wǎng)光伏系統可對公用電網(wǎng)起到調峰作用。但并網(wǎng)光伏供電系統作為一種分散式發(fā)電系統，會(huì )對電網(wǎng)產(chǎn)生一些影響，需予以考慮和重視。

　　在太陽(yáng)能光伏并網(wǎng)發(fā)電系統中，避雷的原理在于變被動(dòng)引雷為主動(dòng)引雷。各種避雷針實(shí)際上都是“引雷針”，將高空的雷電流接引入地底下釋放電荷，這是被動(dòng)引雷，被保護的太陽(yáng)能光伏并網(wǎng)發(fā)電系統，仍然處于危險之中。如圖1所示為太陽(yáng)能光伏并網(wǎng)發(fā)電系統雷電監測系統組成框圖。

　　避雷控制系統負責檢測每次直接雷擊避雷裝置動(dòng)作后入地脈沖電流的強度、雷擊電壓的極性、雷擊次數的計數以及各個(gè)防非直接雷避雷裝置的動(dòng)作損壞情況。它根據上位機的指令，將各種數據傳給上位機進(jìn)行相應處理；也可以根據用戶(hù)的按鍵命令，進(jìn)行復位、顯示和打印簡(jiǎn)單報表等操作。下位機中智能監測儀的前端處理分為兩個(gè)部分：一部分用于檢測多路防直接雷避雷裝置動(dòng)作后各個(gè)參數的變化情況；另一部分用于檢測多路防非直接雷避雷裝置的動(dòng)作損壞情況。

　　前端處理（1）中用于檢測直接雷擊的探頭，采用羅哥夫斯基（以下簡(jiǎn)稱(chēng)為羅氏）線(xiàn)圈。羅氏線(xiàn)圈安裝在防直接雷避雷裝置的接地引下線(xiàn)上，將大電流強電信號轉變?yōu)樾‰娏魅蹼娦盘栠M(jìn)行隔離。信號進(jìn)入前端處理（1）后，因此時(shí)的信號電壓高達幾十伏甚至上百伏，需要進(jìn)行兩級變換后才能送入智能監測儀處理：第一是進(jìn)行分壓變換，通過(guò)阻抗匹配將信號電壓降至±0.1v～10v；第二是進(jìn)行非線(xiàn)性變換，將±0.1v～10v的信號變換為±0.3v～5v的信號。進(jìn)行非線(xiàn)性變換的目的是便于a/d采樣和去掉噪聲電平的干擾。前端處理（1）的輸出信號分成兩路，一路經(jīng)過(guò)4051八路選擇電路和a/d轉換電路測量雷電波形的峰值電壓以及極性；另一路通過(guò)觸發(fā)電路和保持電路給單片機提供中斷信號和直接雷擊避雷裝置動(dòng)作路數的信號。一旦某一路遭受直接雷擊，單片機就被觸發(fā)信號中斷，中斷服務(wù)程序中先判斷遭受直接雷擊的避雷裝置的路數，然后通過(guò)4051選擇讀入該路信號，經(jīng)a/d轉換后存入相應內存單元，以備主程序進(jìn)行處理，相應路數的雷擊次數進(jìn)行累加，如果加滿(mǎn)，則再增加時(shí)又從1開(kāi)始循環(huán)計數。這樣處理完后退出中斷程序，由主程序將信息顯示出來(lái)。只要不掉電或按復位按鈕，則最新一次雷擊的信息將始終顯示在面板上。

　　前端處理（2）的輸入來(lái)自防非直接雷避雷裝置（如電源避雷箱）的防雷接口信號。該信號通過(guò)同軸電纜或光纜接入前端處理（2）中，經(jīng)過(guò)過(guò)壓保護電路和光電隔離電路后送入智能監測儀的8255接口電路進(jìn)行處理，如果避雷裝置雷擊后工作正常，則監測儀將檢測到高電平信號，如檢測為低電平信號，則表明此避雷裝置已被雷擊損壞，應立即予以更換。智能監測儀檢測直接雷擊電流強度的電路部分采用ad1674器件構成采樣電路，ad1674的最小采樣時(shí)間為7.5μs，而一個(gè)雷電波形的上升沿一般在l0μs以上，整個(gè)雷電的放電波形一般在幾十微秒到上百微秒之間，故ad1674理論上完全可以將雷擊后的整個(gè)放電過(guò)程波形采樣進(jìn)來(lái)。因每個(gè)采樣過(guò)程都是通過(guò)單片機的中斷服務(wù)程序進(jìn)行的，這樣，cpu就有足夠的時(shí)間進(jìn)行其它的數據處理、報警、顯示和打印控制等任務(wù)。下位機的打印控制部分主要是應用戶(hù)的要求打印各種實(shí)時(shí)數據信息和避雷裝置的損壞情況的簡(jiǎn)單報表，該電路部分采用一片8255控制電路來(lái)進(jìn)行打印控制。下位機與上位機的數據通信是通過(guò)mc1488、mc1489組成的串行通信電路實(shí)現的。

　　系統的上位機采用pc機作為整個(gè)監測系統的數據庫管理中心，該部分主要負責統計系統轄區內的各個(gè)智能監測儀所檢測的避雷裝置的各種雷擊信息（如雷擊電流強度、雷擊次數、雷擊電壓的極性以及避雷裝置的損壞、更換情況等等）。它可以模擬顯示轄區內防雷系統中各個(gè)避雷裝置的位置、動(dòng)作情況及工作狀態(tài)，也可以按用戶(hù)要求打印防雷系統中的各個(gè)智能監測儀的歷史數據報表以及每次雷擊后的具體情況的實(shí)時(shí)報表。它還可以通過(guò)向預先設定的電話(huà)報警來(lái)滿(mǎn)足某些需要無(wú)人值守的場(chǎng)合。