1 引言

　　隨著人類對(duì)能源需求的日益增加，地球上化石能源的儲(chǔ)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(shí)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(lǐng)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(yīng)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(duì)雷電加以有效利用，而只能對(duì)它采取相應(yīng)的預(yù)防性措施，變被動(dòng)引雷為主動(dòng)引雷，以減少雷電帶來的各種災(zāi)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(gè)太陽能光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)都不受雷電侵襲，必須嚴(yán)格按照技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)安裝避雷帶、避雷針群等裝置，且對(duì)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(jī)地結(jié)合在一起，組成實(shí)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(duì)光伏并網(wǎng)電站的太陽電池陣列、控制器和逆變器進(jìn)行多級(jí)、綜合雷電防護(hù)，是本文研究的重點(diǎn)。

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(yùn)行方式主要可分為離網(wǎng)運(yùn)行（即獨(dú)立太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)）、聯(lián)網(wǎng)運(yùn)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(yùn)行，還是聯(lián)網(wǎng)運(yùn)行，目前對(duì)它遭受雷擊狀況的檢測(cè)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(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(fù)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(fù)載需求時(shí)，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(chǔ)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(duì)電壓、頻率等指標(biāo)的要求。因?yàn)槟孀兤餍实膯栴}，會(huì)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(fù)載的電源，減低了系統(tǒng)的負(fù)載缺電率，而且并網(wǎng)光伏系統(tǒng)可對(duì)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(huì)對(duì)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(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(hù)的太陽能光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)，仍然處于危險(xiǎn)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(cè)系統(tǒng)組成框圖。

　　避雷控制系統(tǒng)負(fù)責(zé)檢測(cè)每次直接雷擊避雷裝置動(dòng)作后入地脈沖電流的強(qiáng)度、雷擊電壓的極性、雷擊次數(shù)的計(jì)數(shù)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(jù)上位機(jī)的指令，將各種數(shù)據(jù)傳給上位機(jī)進(jìn)行相應(yīng)處理；也可以根據(jù)用戶的按鍵命令，進(jìn)行復(fù)位、顯示和打印簡(jiǎn)單報(bào)表等操作。下位機(jī)中智能監(jiān)測(cè)儀的前端處理分為兩個(gè)部分：一部分用于檢測(cè)多路防直接雷避雷裝置動(dòng)作后各個(gè)參數(shù)的變化情況；另一部分用于檢測(cè)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(cè)直接雷擊的探頭，采用羅哥夫斯基（以下簡(jiǎn)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(qiáng)電信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)樾‰娏魅蹼娦盘?hào)進(jìn)行隔離。信號(hào)進(jìn)入前端處理（1）后，因此時(shí)的信號(hào)電壓高達(dá)幾十伏甚至上百伏，需要進(jìn)行兩級(jí)變換后才能送入智能監(jiān)測(cè)儀處理：第一是進(jìn)行分壓變換，通過阻抗匹配將信號(hào)電壓降至±0.1v～10v；第二是進(jìn)行非線性變換，將±0.1v～10v的信號(hào)變換為±0.3v～5v的信號(hào)。進(jìn)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(hào)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(cè)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(jī)提供中斷信號(hào)和直接雷擊避雷裝置動(dòng)作路數(shù)的信號(hào)。一旦某一路遭受直接雷擊，單片機(jī)就被觸發(fā)信號(hào)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(shù)，然后通過4051選擇讀入該路信號(hào)，經(jīng)a/d轉(zhuǎn)換后存入相應(yīng)內(nèi)存單元，以備主程序進(jìn)行處理，相應(yīng)路數(shù)的雷擊次數(shù)進(jìn)行累加，如果加滿，則再增加時(shí)又從1開始循環(huán)計(jì)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(fù)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(hào)。該信號(hào)通過同軸電纜或光纜接入前端處理（2）中，經(jīng)過過壓保護(hù)電路和光電隔離電路后送入智能監(jiān)測(cè)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(jiān)測(cè)儀將檢測(cè)到高電平信號(hào)，如檢測(cè)為低電平信號(hào)，則表明此避雷裝置已被雷擊損壞，應(yīng)立即予以更換。智能監(jiān)測(cè)儀檢測(cè)直接雷擊電流強(qiáng)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(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)放電過程波形采樣進(jìn)來。因每個(gè)采樣過程都是通過單片機(jī)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(shù)據(jù)處理、報(bào)警、顯示和打印控制等任務(wù)。下位機(jī)的打印控制部分主要是應(yīng)用戶的要求打印各種實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)信息和避雷裝置的損壞情況的簡(jiǎn)單報(bào)表，該電路部分采用一片8255控制電路來進(jìn)行打印控制。下位機(jī)與上位機(jī)的數(shù)據(jù)通信是通過mc1488、mc1489組成的串行通信電路實(shí)現(xiàn)的。

　　系統(tǒng)的上位機(jī)采用pc機(jī)作為整個(gè)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫管理中心，該部分主要負(fù)責(zé)統(tǒng)計(jì)系統(tǒng)轄區(qū)內(nèi)的各個(gè)智能監(jiān)測(cè)儀所檢測(cè)的避雷裝置的各種雷擊信息（如雷擊電流強(qiáng)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(gè)避雷裝置的位置、動(dòng)作情況及工作狀態(tài)，也可以按用戶要求打印防雷系統(tǒng)中的各個(gè)智能監(jiān)測(cè)儀的歷史數(shù)據(jù)報(bào)表以及每次雷擊后的具體情況的實(shí)時(shí)報(bào)表。它還可以通過向預(yù)先設(shè)定的電話報(bào)警來滿足某些需要無人值守的場(chǎng)合。

3 避雷防護(hù)方案

　　對(duì)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(yīng)防止直擊雷、雷電感應(yīng)和雷電波侵入，因此，可以針對(duì)不同的雷電危害方式，采取合適的防雷措施與防護(hù)方案。

　　3.1 對(duì)直擊雷的防護(hù)

　　對(duì)直擊雷的防護(hù)包括對(duì)太陽電池陣列和光伏電站廠區(qū)的防護(hù)。防直擊雷，防雷設(shè)備主要采用避雷針，通過計(jì)算，可以合理地選擇防雷設(shè)備，達(dá)到對(duì)戶外的光伏電站太陽電池陣列進(jìn)行有效防護(hù)的目的。可見，要對(duì)戶外的光伏電站太陽電池陣列進(jìn)行有效防護(hù)，問題的關(guān)鍵就是要正確計(jì)算太陽電池陣列年預(yù)計(jì)雷擊次數(shù)，以及利用滾球法，計(jì)算出需要避雷的范圍，然后選定避雷針的型號(hào)及其性能指標(biāo)。

　　計(jì)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(tái)、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(zhǎng)、寬、高）

　　避雷保護(hù)半徑rx計(jì)算公式為：

　　式（3）中：h—避雷針高度；hx—被保護(hù)物高度；hr—滾球半徑。

　　3.2 對(duì)雷電感應(yīng)和雷電沖擊波的防護(hù)

　　通過對(duì)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(jī)房?jī)?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(jìn)行防雷設(shè)計(jì)時(shí)，必須采取有效措施，防止雷電感應(yīng)和雷電波侵入。所以，考慮用避雷器等對(duì)雷電感應(yīng)和雷電波侵入進(jìn)行防護(hù)。

　　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(yīng)雷時(shí)能有可靠的保護(hù)，在光伏電池組件支架、控制器和逆變器的非導(dǎo)電體的屋頂上裝設(shè)環(huán)形避雷帶作為防雷保護(hù)，并且避雷帶設(shè)有數(shù)個(gè)獨(dú)立引下線。為了對(duì)雷電感應(yīng)進(jìn)行防護(hù)，將光伏電站機(jī)房?jī)?nèi)的全部金屬物，包括設(shè)備金屬外殼、機(jī)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(dú)接入接地干線。

　　雷電波侵入的主要途徑是架空導(dǎo)線和光伏陣列到機(jī)房的引入線。為此，對(duì)避雷方案進(jìn)行改進(jìn)，可以采取多級(jí)防護(hù)措施對(duì)太陽能光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行保護(hù)。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(hù)功能；在交流輸出端，改變以往設(shè)計(jì)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(hù)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(jìn)入機(jī)房。這樣就可以很好地對(duì)雷電波侵入進(jìn)行有效防護(hù)。

　　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(duì)直擊雷的防護(hù)，還需要考慮對(duì)非直接雷擊（雷電感應(yīng)和雷電波）的防護(hù)。與此同時(shí)，不僅要知道雷擊的次數(shù)，還要知道每次雷擊的強(qiáng)度以及整個(gè)防雷系統(tǒng)內(nèi)各個(gè)避雷裝置的工作損壞情況?；诖?，設(shè)計(jì)了上述完善的雷電監(jiān)控系統(tǒng)，來保護(hù)太陽能光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的設(shè)備和人身安全。

4 結(jié)束語

　　本監(jiān)控系統(tǒng)的創(chuàng)新點(diǎn)就在于對(duì)太陽能光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的避雷系統(tǒng)，針對(duì)三個(gè)組成部分的不同安裝位置和各自的特點(diǎn)，對(duì)避雷方案進(jìn)行綜合改進(jìn)，采用全面、有效的避雷設(shè)計(jì)方案，采取多級(jí)防護(hù)措施，對(duì)戶內(nèi)和戶外發(fā)電設(shè)施分別進(jìn)行有效地保護(hù)，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(yīng)用于太陽能光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)，通過對(duì)戶外太陽電池方陣的直擊雷防護(hù)與戶內(nèi)控制器和逆變器的非直接雷擊（雷電感應(yīng)和雷電侵入波）的防護(hù)，達(dá)到使太陽能光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)有效和安全運(yùn)行的目的。