光伏電站的安全很重要

光伏電站的安全很重要安全是光伏電站的命脈，也是取得投資回報(bào)的根基所在。不管在地面、山地、屋頂?shù)裙夥娬緢鼍埃踩珟缀跏且黄狈駴Q的原則問題。一、背景伴隨碳達(dá)峰、碳中和成為2021年中國經(jīng)濟(jì)工作中的一項(xiàng)重要任務(wù)，光伏將承擔(dān)主力軍的角色，同時(shí)也將進(jìn)入一個(gè)蓬勃發(fā)展的新時(shí)代?？梢灶A(yù)見，不管是地面電站，還是分布式電站，光伏的裝機(jī)量都將進(jìn)入大規(guī)模增長的階段，但是與之而來的“安全問題”也越來越多，引起行業(yè)的關(guān)注和重視。安全是光伏電站的命脈，也是取得投資回報(bào)的根基所在。不管在地面、山地、屋頂?shù)裙夥娬緢鼍?，安全幾乎是一票否決的原則問題。二、電站發(fā)生火災(zāi)的原因火災(zāi)，是光伏電站的最大安全隱患。據(jù)記者統(tǒng)計(jì)，光伏行業(yè)近3年內(nèi)已有45起典型的火災(zāi)事故。2020年2月2日，山西運(yùn)城稷山縣太陽能光伏發(fā)電項(xiàng)目所在的山坡上發(fā)生火災(zāi);2018年4月19日，安徽銅陵某地面光伏電站發(fā)生火災(zāi)，整個(gè)電站一片狼藉，組件基本被燒光，只剩下一些凌亂散落的金屬支架;2015年5月，蘋果公司一直引以為傲的位于亞利桑那Mesa的工廠屋頂突然起火，起火點(diǎn)是大樓屋頂?shù)墓夥M件，現(xiàn)場濃煙四起，光伏組件被燒毀……樁樁件件觸目驚心!隨著光伏裝機(jī)容量的逐年攀升，逆變器、匯流箱、大電流組件以及應(yīng)用場景越來越復(fù)雜，造成火災(zāi)隱患上升。除了來自于外部原因的火災(zāi)外，光伏系統(tǒng)自身的火災(zāi)隱患更需引起重視。2.1設(shè)備演進(jìn)，進(jìn)一步帶來火災(zāi)隱患1）為進(jìn)一步降低光伏電站LCOE，光伏組件呈現(xiàn)大功率、大電流趨勢。隨著硅片尺寸越來越大以及電池效率越來越高，組件電流不斷提高成為必然趨勢。我們看到，組件電流越來越大，逆變器功率或匯流箱對應(yīng)的組串?dāng)?shù)量也不斷增加。設(shè)定前提：的6年前每串坦件主流在8-10A.每個(gè)集中逆變器接入100鼠2016-2020朝間海串組件電流倒(M1.5A停個(gè)集中逆弟哺2021年后，哪讖在在142網(wǎng)區(qū)聞每個(gè)逆蝠孫200串虻，未來集中式⑵年后)當(dāng)前集中式(16-205)11.5A*200?=2300A過去集中式⑵16$前)10AMOO$=1000A觀14A-20A*200事=2800A-4000A圖1集中式系統(tǒng)：電流和組串越來越大14-20A?24-32$=336A-640A11.5A*14國串=207-276A過去甄串式E07016年)設(shè)定前握：201牌前每串蛆件主潘在8-10A,每個(gè)阻串逆食:器T3F妾入8-倏串;2016-203㈣間焦串蛆杵電流在10-11一站,每十逆變器接入18T4串;2021年后，組件電流在在14-20A,每個(gè)逆變器接入24-32串。耒來(2021-)當(dāng)前組串式(16-2020^)組伴10AM0$=10t)A圖2組串式系統(tǒng)：電流和組串越來越大隨著光伏直流側(cè)系統(tǒng)功率和電流增大，于之而來的故障起火風(fēng)險(xiǎn)也越來越大。當(dāng)發(fā)生故障時(shí)，在故障點(diǎn)產(chǎn)生的短路電流也相應(yīng)的增大，根據(jù)焦耳定律Q=I2Rt可知，電流增大一倍，短路點(diǎn)熱效應(yīng)增加4倍，起火的風(fēng)險(xiǎn)也極大的增加。未來光伏直流側(cè)功率將進(jìn)一步增大，傳統(tǒng)方案的保護(hù)功能卻沒有得到任何的改進(jìn)與升級，完全沒有跟上系統(tǒng)功率演進(jìn)的節(jié)奏，這個(gè)問題的解決已經(jīng)到了刻不容緩的時(shí)候了。2）光伏電站的應(yīng)用場景越發(fā)多樣化。從荒漠走向農(nóng)光、漁光、山地、屋頂發(fā)展，涵蓋了光伏+建筑，光伏+農(nóng)業(yè)，光伏+山地，光伏+漁業(yè)等多個(gè)復(fù)雜場景。當(dāng)光伏+越來越豐富的時(shí)候，火災(zāi)就成為了最大的安全隱患。光伏電站一旦發(fā)生火災(zāi)事故，不僅會(huì)損失電站成本、發(fā)電收益，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)造成建筑及人身傷害。正如大家常見的，秋末冬初，山地電站組件下方布滿枯草，山火引發(fā)的損失難以估量，因此電站對防火的要求必然更高;農(nóng)光電站、屋頂光伏等場景光伏組件通常布置在大棚或建筑物上方，且與人員的接觸更加緊密，線纜或逆變器短路引發(fā)的火災(zāi)，將對人身財(cái)產(chǎn)安全產(chǎn)生極大的威脅。2.2防患于未然，當(dāng)前系統(tǒng)方案無法應(yīng)對未來發(fā)展如上節(jié)所述，未來組件電流的增大、組串?dāng)?shù)量越來越多是大勢所趨。同時(shí)隨著逆變器功率密度的增加，電流反灌時(shí)的能量也愈發(fā)增大，進(jìn)而導(dǎo)致組件-線纜-逆變器整個(gè)電站系統(tǒng)的安全風(fēng)險(xiǎn)增加。因此倒逼系統(tǒng)需要與時(shí)俱進(jìn)，做出新的創(chuàng)新，來迎合這個(gè)趨勢，保障電站安全。當(dāng)前的集中式方案一般使用16/24路直流匯流箱將組件功率進(jìn)行匯集，采用支路熔絲和匯流斷路器進(jìn)行保護(hù)，因光伏組件短路電流僅為額定電流的1.1倍，無法達(dá)到熔絲和斷路器的保護(hù)電流，因此現(xiàn)有的直流保護(hù)器件均無法動(dòng)作。具體原理如下：如上圖的A點(diǎn)發(fā)生短路故障，紅色故障回路：QF1為匯流箱斷路器，額定電流500A，由于組件的短路電流在480A左右，QF1一直不會(huì)脫扣，持續(xù)輸出直流能量到故障點(diǎn)，維持電孤燃燒，擴(kuò)大火災(zāi)事故。集中式由于直流回路長，匯流路數(shù)多，級聯(lián)路數(shù)多，除了上述短路故障點(diǎn)A外，匯流箱、匯流柜內(nèi)等都可能發(fā)生類似故障情況，風(fēng)險(xiǎn)相較組串式將更大。集中式逆變器因直流短路起火照片而當(dāng)前組串式方案雖然不存在匯流箱后端短路的問題，但是當(dāng)逆變器內(nèi)部出現(xiàn)極端故障時(shí)，如內(nèi)部IGBT故障造成直流母線短路，逆變器因無法分?jǐn)嘀绷鬏斎肽芰浚罅康哪芰吭诠收宵c(diǎn)積累可能導(dǎo)致進(jìn)一步的問題，嚴(yán)重一點(diǎn)的將發(fā)生炸機(jī)、起火等事故。電池組件組串式逆變器逆變器炸機(jī)、起火后，明火或高溫的電解液溢出，又極易引發(fā)枯草、大棚、屋頂?shù)绕鸹鹑紵瑪U(kuò)大故障。這樣的案例也不少見。三、行業(yè)呼吁最優(yōu)解決方案，魚與熊掌兼而有之在戶用場景，部分國家、區(qū)域已經(jīng)出臺(tái)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，包括國內(nèi)部分省市的建筑行業(yè)也在推行類似標(biāo)準(zhǔn)，即在屋頂光伏上，要具備RSD功能，在每個(gè)組件后面加優(yōu)化器，可以實(shí)現(xiàn)組件級關(guān)斷，在后級出現(xiàn)短路等故障時(shí)，優(yōu)化器可以分?jǐn)嘟M件的能量，繼而避免進(jìn)一步的故障擴(kuò)大。這種方案可以較顯著地提高系統(tǒng)安全，但是由于優(yōu)化器當(dāng)前成本仍然較高，尚無法在大型電站、以及較大型工商業(yè)電站上普遍應(yīng)用。然而，隨著光伏發(fā)電的快速發(fā)展、普及，光伏電站的“火災(zāi)”問題