真空断路器在光伏发电系统中的瞬态响应分析

　　真空断路器在大规模光伏发电系统中有着重要应用，本文简要阐述了真空断路器的瞬态响应在光伏发电系统中的影响，分析了断路器操作产生的动态响应对高压变压器造成的损害，并对LC 滤波模块在真空断路器操作时产生的过电压、重燃等动态特性的抑制作用进行了测试与讨论。

　　近年来，随着人民生活与工业生产对绿色能源的迫切需求，光伏发电技术得以快速发展。在过去的15 年间光伏市场规模以指数形式迅速扩大。其发电形式也从小型私人化发电设备向大型光伏发电系统进化，有些地区甚至已经实现500 千瓦以上规模的大型光伏发电中心。在光伏发电过程中，由半导体材料转化太阳能得到的直流电力需要先经由DC/AC 逆变器转换为交流电，之后还需要通过升压变压器将其提升至电网输电所需的电压级别才能将电力输送至传统电力网络。在这类高压电力系统中，电路的关断操作通常由真空断路器完成。

　　然而，在某些电网条件下，真空断路器关断时产生的瞬态过电压会对电网中的变压器产生致命影响，导致其使用寿命降低，生产效率下降，甚至可能造成严重的安全事故。真空断路器的瞬态过电压已有大量文献对此进行分析与研究，不过大部分是针对电弧炉等生产设备进行的。由于光伏发电系统内通常利用LC 滤波模块对输出电压进行整流，而此模块也多用于抑制电路内的瞬态响应，因此LC 滤波模块对于控制真空断路器的瞬态过电压是否有着积极影响对于研究光伏系统内的断路器瞬态响应有着重要意义。本文旨在研究真空断路器的瞬态响应在光伏发电系统中造成的影响，以12kV/1250A 规格的真空断路器为例进行测试，并重点关注光伏器件中的LC 滤波机构在抑制瞬态响应中的作用。

1、光伏发电系统结构

　　本文在研究时采用的光伏发电系统等效框图如图1 所示。其中太阳能电池板用于将太阳辐射的能量转化为直流电势，其具体参数及非线性特性等由生产商提供。直流电势须经由DC/DC升压模块以及DC/AC 逆变器转换为合适的交流电力输送给电气网络。图中的LC 滤波器主要作用是用于限制逆变器得到的交流电中的谐波失真等非线性干扰。

　　真空断路器利用真空作为灭弧介质以及灭弧后触头间的绝缘介质，得益于其高真空环境，触头间的介电常数是标准大气压下的十倍以上，因此其电流截断能力也远强于普通断路器。然而正因其较强的电流截断能力，真空断路器在操作时易产生较高的过电压，当电路中存在电机、变压器、电抗器等高电感元件时，容易在这些元件两端形成瞬态高压，损坏电路。

图1 光伏发电系统框图

2、瞬态响应测试

　　本文在对真空断路器的瞬态响应进行测试时，利用了一台250kVA 的配电变压器对光伏发电系统的逆变器输出部分进行模拟，该配电变压器工作在0.1kV，获得6kV 电压后，经由真空断路器串联至20kVA 变压器。真空断路器采用12kV/1250A 规格，弹簧运动机构。电压测量部分本文采用Tektronix誖公司生产的高压探头配合示波器进行测量。实验中所用到的电气元件参数如表1 所示：

表1 测试用电气元件参数表

3、总结

　　通过对实验数据的对比总结，本文得出如下结论：

　　(1)当电路中未接入LC 滤波器时对电路进行断路测试，断路器重燃现象频繁发生。

　　(2)LC 滤波器的接入对断路器的瞬态响应无论在振荡频率还是在振荡强度上都产生了显著影响。

　　(3)LC 滤波器中电容的增加会降低断路器的最大过电压，重燃次数以及振荡频率等动态特性。

　　(4)当接入电容达到25μF 时断路器重燃现象得到基本消除。

　　(5)在本文进行的实验中，LC 滤波器的电感由于跟变压器的电感相比几乎可以忽略，因此改变其电感对动态响应造成的影响微乎其微。

　　(6)对于本文讨论的光伏发电系统而言，LC滤波的介入可以显著降低真空开关过电压对变压器造成的影响。

　　最后，本文仅针对断路器的开路操作进行了讨论，因此断路器闭路操作时的动态响应仍需在未来的工作中完成，同时对光伏发电系统进行数值建模，并尝试对其动态响应进行仿真，建立真空断路器动态响应模拟系统将是未来工作的重点。