1 引言
隨著人類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。開發(fā)利用可再生能源和各種綠色能源以實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展，是人類必須采取的措施。太陽能是近年來我國新能源利用領域的發(fā)展方向，是符合可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的理想的綠色能源。太陽能光伏并網(wǎng)發(fā)電是太陽能最主要和最重要的應用，其主要組成部分光伏電站太陽電池陣列均位于戶外。因此，為了確保系統(tǒng)可靠和安全地工作，必須解決太陽能光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的防雷避雷問題。
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，變被動引雷為主動引雷，以減少雷電帶來的各種災害。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(xiàn)行的防雷技術(shù)用于太陽能光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)，一方面，由于大面積的太陽電池板已占據(jù)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(tǒng)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)才不致于使太陽能光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)及人類受到侵害；另一方面，按傳統(tǒng)的避雷技術(shù)，要使整個太陽能光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)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。如何讓太陽能光伏并網(wǎng)發(fā)電技術(shù)和新型避雷技術(shù)有機地結(jié)合在一起，組成實用、美觀、安全可靠的一體化避雷系統(tǒng)，是目前亟需研究并解決的重要課題。對光伏并網(wǎng)電站的太陽電池陣列、控制器和逆變器進行多級、綜合雷電防護，是本文研究的重點。
2 系統(tǒng)組成及工作原理
太陽能光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的運行方式主要可分為離網(wǎng)運行（即獨立太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)）、聯(lián)網(wǎng)運行（聯(lián)網(wǎng)太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)）和混合系統(tǒng)三大類。無論是離網(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(jiān)控系統(tǒng)的研究尚在發(fā)展中。太陽能光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)主要由太陽電池板（組件）、控制器和逆變器三大部分組成。其工作原理是：太陽電池組件產(chǎn)生的直流電經(jīng)并網(wǎng)逆變器轉(zhuǎn)換成符合電網(wǎng)要求的交流電之后，直接進入公共電網(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，太陽電池組件沒有產(chǎn)生電能或者電能不能滿足負載需求時，就由電網(wǎng)供電。由于太陽能發(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程，減少了能量的損耗，并降低了系統(tǒng)的成本。但是，系統(tǒng)需要專用的并網(wǎng)逆變器，以保證輸出的電力滿足電網(wǎng)對電壓、頻率等指標的要求。因為逆變器效率的問題，會有部分能量損失。這種系統(tǒng)并行使用公用電網(wǎng)和太陽電池組件陣列作為本地交流負載的電源，減低了系統(tǒng)的負載缺電率，而且并網(wǎng)光伏系統(tǒng)可對公用電網(wǎng)起到調(diào)峰作用。但并網(wǎng)光伏供電系統(tǒng)作為一種分散式發(fā)電系統(tǒng)，會對電網(wǎng)產(chǎn)生一些影響，需予以考慮和重視。
在太陽能光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)中，避雷的原理在于變被動引雷為主動引雷。各種避雷針實際上都是“引雷針”，將高空的雷電流接引入地底下釋放電荷，這是被動引雷，被保護的太陽能光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)，仍然處于危險之中。如圖1所示為太陽能光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)雷電監(jiān)測系統(tǒng)組成框圖。
避雷控制系統(tǒng)負責檢測每次直接雷擊避雷裝置動作后入地脈沖電流的強度、雷擊電壓的極性、雷擊次數(shù)的計數(shù)以及各個防非直接雷避雷裝置的動作損壞情況。它根據(jù)上位機的指令，將各種數(shù)據(jù)傳給上位機進行相應處理；也可以根據(jù)用戶的按鍵命令，進行復位、顯示和打印簡單報表等操作。下位機中智能監(jiān)測儀的前端處理分為兩個部分：一部分用于檢測多路防直接雷避雷裝置動作后各個參數(shù)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（以下簡稱為羅氏）線圈。羅氏線圈安裝在防直接雷避雷裝置的接地引下線上，將大電流強電信號轉(zhuǎn)變?yōu)樾‰娏魅蹼娦盘栠M行隔離。信號進入前端處理（1）后，因此時的信號電壓高達幾十伏甚至上百伏，需要進行兩級變換后才能送入智能監(jiān)測儀處理：第一是進行分壓變換，通過阻抗匹配將信號電壓降至±0.1v～10v；第二是進行非線性變換，將±0.1v～10v的信號變換為±0.3v～5v的信號。進行非線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4051八路選擇電路和a/d轉(zhuǎn)換電路測量雷電波形的峰值電壓以及極性；另一路通過觸發(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作路數(shù)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，中斷服務程序中先判斷遭受直接雷擊的避雷裝置的路數(shù)，然后通過4051選擇讀入該路信號，經(jīng)a/d轉(zhuǎn)換后存入相應內(nèi)存單元，以備主程序進行處理，相應路數(shù)的雷擊次數(shù)進行累加，如果加滿，則再增加時又從1開始循環(huán)計數(shù)。這樣處理完后退出中斷程序，由主程序?qū)⑿畔@示出來。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。該信號通過同軸電纜或光纜接入前端處理（2）中，經(jīng)過過壓保護電路和光電隔離電路后送入智能監(jiān)測儀的8255接口電路進行處理，如果避雷裝置雷擊后工作正常，則監(jiān)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(jiān)測儀檢測直接雷擊電流強度的電路部分采用ad1674器件構(gòu)成采樣電路，ad1674的最小采樣時間為7.5μs，而一個雷電波形的上升沿一般在l0μs以上，整個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放電過程波形采樣進來。因每個采樣過程都是通過單片機的中斷服務程序進行的，這樣，cpu就有足夠的時間進行其它的數(shù)據(jù)處理、報警、顯示和打印控制等任務。下位機的打印控制部分主要是應用戶的要求打印各種實時數(shù)據(jù)信息和避雷裝置的損壞情況的簡單報表，該電路部分采用一片8255控制電路來進行打印控制。下位機與上位機的數(shù)據(jù)通信是通過mc1488、mc1489組成的串行通信電路實現(xiàn)的。
系統(tǒng)的上位機采用pc機作為整個監(jiān)測系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫管理中心，該部分主要負責統(tǒng)計系統(tǒng)轄區(qū)內(nèi)的各個智能監(jiān)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(shù)、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(qū)內(nèi)防雷系統(tǒng)中各個避雷裝置的位置、動作情況及工作狀態(tài)，也可以按用戶要求打印防雷系統(tǒng)中的各個智能監(jiān)測儀的歷史數(shù)據(jù)報表以及每次雷擊后的具體情況的實時報表。它還可以通過向預先設定的電話報警來滿足某些需要無人值守的場合。
1 引言
隨著人類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。開發(fā)利用可再生能源和各種綠色能源以實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展，是人類必須采取的措施。太陽能是近年來我國新能源利用領域的發(fā)展方向，是符合可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的理想的綠色能源。太陽能光伏并網(wǎng)發(fā)電是太陽能最主要和最重要的應用，其主要組成部分光伏電站太陽電池陣列均位于戶外。因此，為了確保系統(tǒng)可靠和安全地工作，必須解決太陽能光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的防雷避雷問題。
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，變被動引雷為主動引雷，以減少雷電帶來的各種災害。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(xiàn)行的防雷技術(shù)用于太陽能光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)，一方面，由于大面積的太陽電池板已占據(jù)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(tǒng)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)才不致于使太陽能光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)及人類受到侵害；另一方面，按傳統(tǒng)的避雷技術(shù)，要使整個太陽能光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)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。如何讓太陽能光伏并網(wǎng)發(fā)電技術(shù)和新型避雷技術(shù)有機地結(jié)合在一起，組成實用、美觀、安全可靠的一體化避雷系統(tǒng)，是目前亟需研究并解決的重要課題。對光伏并網(wǎng)電站的太陽電池陣列、控制器和逆變器進行多級、綜合雷電防護，是本文研究的重點。
2 系統(tǒng)組成及工作原理
太陽能光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的運行方式主要可分為離網(wǎng)運行（即獨立太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)）、聯(lián)網(wǎng)運行（聯(lián)網(wǎng)太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)）和混合系統(tǒng)三大類。無論是離網(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(jiān)控系統(tǒng)的研究尚在發(fā)展中。太陽能光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)主要由太陽電池板（組件）、控制器和逆變器三大部分組成。其工作原理是：太陽電池組件產(chǎn)生的直流電經(jīng)并網(wǎng)逆變器轉(zhuǎn)換成符合電網(wǎng)要求的交流電之后，直接進入公共電網(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，太陽電池組件沒有產(chǎn)生電能或者電能不能滿足負載需求時，就由電網(wǎng)供電。由于太陽能發(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程，減少了能量的損耗，并降低了系統(tǒng)的成本。但是，系統(tǒng)需要專用的并網(wǎng)逆變器，以保證輸出的電力滿足電網(wǎng)對電壓、頻率等指標的要求。因為逆變器效率的問題，會有部分能量損失。這種系統(tǒng)并行使用公用電網(wǎng)和太陽電池組件陣列作為本地交流負載的電源，減低了系統(tǒng)的負載缺電率，而且并網(wǎng)光伏系統(tǒng)可對公用電網(wǎng)起到調(diào)峰作用。但并網(wǎng)光伏供電系統(tǒng)作為一種分散式發(fā)電系統(tǒng)，會對電網(wǎng)產(chǎn)生一些影響，需予以考慮和重視。
在太陽能光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)中，避雷的原理在于變被動引雷為主動引雷。各種避雷針實際上都是“引雷針”，將高空的雷電流接引入地底下釋放電荷，這是被動引雷，被保護的太陽能光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)，仍然處于危險之中。如圖1所示為太陽能光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)雷電監(jiān)測系統(tǒng)組成框圖。
避雷控制系統(tǒng)負責檢測每次直接雷擊避雷裝置動作后入地脈沖電流的強度、雷擊電壓的極性、雷擊次數(shù)的計數(shù)以及各個防非直接雷避雷裝置的動作損壞情況。它根據(jù)上位機的指令，將各種數(shù)據(jù)傳給上位機進行相應處理；也可以根據(jù)用戶的按鍵命令，進行復位、顯示和打印簡單報表等操作。下位機中智能監(jiān)測儀的前端處理分為兩個部分：一部分用于檢測多路防直接雷避雷裝置動作后各個參數(shù)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（以下簡稱為羅氏）線圈。羅氏線圈安裝在防直接雷避雷裝置的接地引下線上，將大電流強電信號轉(zhuǎn)變?yōu)樾‰娏魅蹼娦盘栠M行隔離。信號進入前端處理（1）后，因此時的信號電壓高達幾十伏甚至上百伏，需要進行兩級變換后才能送入智能監(jiān)測儀處理：第一是進行分壓變換，通過阻抗匹配將信號電壓降至±0.1v～10v；第二是進行非線性變換，將±0.1v～10v的信號變換為±0.3v～5v的信號。進行非線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4051八路選擇電路和a/d轉(zhuǎn)換電路測量雷電波形的峰值電壓以及極性；另一路通過觸發(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作路數(shù)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，中斷服務程序中先判斷遭受直接雷擊的避雷裝置的路數(shù)，然后通過4051選擇讀入該路信號，經(jīng)a/d轉(zhuǎn)換后存入相應內(nèi)存單元，以備主程序進行處理，相應路數(shù)的雷擊次數(shù)進行累加，如果加滿，則再增加時又從1開始循環(huán)計數(shù)。這樣處理完后退出中斷程序，由主程序?qū)⑿畔@示出來。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。該信號通過同軸電纜或光纜接入前端處理（2）中，經(jīng)過過壓保護電路和光電隔離電路后送入智能監(jiān)測儀的8255接口電路進行處理，如果避雷裝置雷擊后工作正常，則監(jiān)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(jiān)測儀檢測直接雷擊電流強度的電路部分采用ad1674器件構(gòu)成采樣電路，ad1674的最小采樣時間為7.5μs，而一個雷電波形的上升沿一般在l0μs以上，整個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放電過程波形采樣進來。因每個采樣過程都是通過單片機的中斷服務程序進行的，這樣，cpu就有足夠的時間進行其它的數(shù)據(jù)處理、報警、顯示和打印控制等任務。下位機的打印控制部分主要是應用戶的要求打印各種實時數(shù)據(jù)信息和避雷裝置的損壞情況的簡單報表，該電路部分采用一片8255控制電路來進行打印控制。下位機與上位機的數(shù)據(jù)通信是通過mc1488、mc1489組成的串行通信電路實現(xiàn)的。
系統(tǒng)的上位機采用pc機作為整個監(jiān)測系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫管理中心，該部分主要負責統(tǒng)計系統(tǒng)轄區(qū)內(nèi)的各個智能監(jiān)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(shù)、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(qū)內(nèi)防雷系統(tǒng)中各個避雷裝置的位置、動作情況及工作狀態(tài)，也可以按用戶要求打印防雷系統(tǒng)中的各個智能監(jiān)測儀的歷史數(shù)據(jù)報表以及每次雷擊后的具體情況的實時報表。它還可以通過向預先設定的電話報警來滿足某些需要無人值守的場合。
3 避雷防護方案
對太陽能光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的避雷監(jiān)控系統(tǒng)來說，主要應防止直擊雷、雷電感應和雷電波侵入，因此，可以針對不同的雷電危害方式，采取合適的防雷措施與防護方案。
3.1 對直擊雷的防護
對直擊雷的防護包括對太陽電池陣列和光伏電站廠區(qū)的防護。防直擊雷，防雷設備主要采用避雷針，通過計算，可以合理地選擇防雷設備，達到對戶外的光伏電站太陽電池陣列進行有效防護的目的?？梢?，要對戶外的光伏電站太陽電池陣列進行有效防護，問題的關(guān)鍵就是要正確計算太陽電池陣列年預計雷擊次數(shù)，以及利用滾球法，計算出需要避雷的范圍，然后選定避雷針的型號及其性能指標。
計算公式：n=kngae （1）
式（1）中：k—校正系數(shù)；
ng—光伏陣列所處地區(qū)雷擊大地的年平均密度（次/km2.a），（其中：ng=0.024td13）；
td—年平均雷暴日數(shù)，根據(jù)省氣象臺、站資料確定（d/a）；
ae—與光伏陣列截獲相同雷擊次數(shù)的等效面積（km2）。
?。ü?中l(wèi)、w、h分別為光伏陣列的長、寬、高）
避雷保護半徑rx計算公式為：
式（3）中：h—避雷針高度；hx—被保護物高度；hr—滾球半徑。
3.2 對雷電感應和雷電沖擊波的防護
通過對太陽能光伏電站可能遭受雷擊事件的概率大小來分析，控制機房內(nèi)的控制器或逆變器遭損壞的概率最大，分析其原因，都是由于雷電波侵入造成的。因此，太陽能光伏電站在進行防雷設計時，必須采取有效措施，防止雷電感應和雷電波侵入。所以，考慮用避雷器等對雷電感應和雷電波侵入進行防護。
控制器和逆變器一般采用全戶內(nèi)型，為使光伏電池組件、控制器和逆變器在受到直擊雷和感應雷時能有可靠的保護，在光伏電池組件支架、控制器和逆變器的非導電體的屋頂上裝設環(huán)形避雷帶作為防雷保護，并且避雷帶設有數(shù)個獨立引下線。為了對雷電感應進行防護，將光伏電站機房內(nèi)的全部金屬物，包括設備金屬外殼、機架、金屬管道、電纜金屬外皮等可靠接地，并且將全部金屬物用專用接地線單獨接入接地干線。
雷電波侵入的主要途徑是架空導線和光伏陣列到機房的引入線。為此，對避雷方案進行改進，可以采取多級防護措施對太陽能光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)進行保護。在太陽電池方陣接線箱內(nèi)安裝防雷模塊；保持太陽電池方陣接線箱與控制柜間距大于10m；在控制器、逆變器內(nèi)安裝防雷元器件，使其具有防雷保護功能；在交流輸出端，改變以往設計中在架空出線桿上安裝低壓閥式避雷器的做法，改用更加靈敏、安全、方便的浪涌保護器即防雷模塊；防雷器件全部安裝于防雨防塵的電源箱內(nèi)，固定在架空出線桿上，防止雷電波由輸電線路進入機房。這樣就可以很好地對雷電波侵入進行有效防護。
可見，在太陽能光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)中，不僅需要考慮對直擊雷的防護，還需要考慮對非直接雷擊（雷電感應和雷電波）的防護。與此同時，不僅要知道雷擊的次數(shù)，還要知道每次雷擊的強度以及整個防雷系統(tǒng)內(nèi)各個避雷裝置的工作損壞情況?；诖?，設計了上述完善的雷電監(jiān)控系統(tǒng)，來保護太陽能光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的設備和人身安全。
4 結(jié)束語
本監(jiān)控系統(tǒng)的創(chuàng)新點就在于對太陽能光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的避雷系統(tǒng)，針對三個組成部分的不同安裝位置和各自的特點，對避雷方案進行綜合改進，采用全面、有效的避雷設計方案，采取多級防護措施，對戶內(nèi)和戶外發(fā)電設施分別進行有效地保護，確保太陽能光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的正常工作。
將避雷監(jiān)控技術(shù)應用于太陽能光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)，通過對戶外太陽電池方陣的直擊雷防護與戶內(nèi)控制器和逆變器的非直接雷擊（雷電感應和雷電侵入波）的防護，達到使太陽能光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)有效和安全運行的目的。