光伏电站的安全很重要

光伏电站的安全很重要安全是光伏电站的命脉，也是取得投资回报的根基所在。不管在地面、山地、屋顶等光伏电站场景，安全几乎是一票否决的原则问题。一、背景伴随碳达峰、碳中和成为2021年中国经济工作中的一项重要任务，光伏将承担主力军的角色，同时也将进入一个蓬勃发展的新时代。可以预见，不管是地面电站，还是分布式电站，光伏的装机量都将进入大规模增长的阶段，但是与之而来的“安全问题”也越来越多，引起行业的关注和重视。安全是光伏电站的命脉，也是取得投资回报的根基所在。不管在地面、山地、屋顶等光伏电站场景，安全几乎是一票否决的原则问题。二、电站发生火灾的原因火灾，是光伏电站的最大安全隐患。据记者统计，光伏行业近3年内已有45起典型的火灾事故。2020年2月2日，山西运城稷山县太阳能光伏发电项目所在的山坡上发生火灾;2018年4月19日，安徽铜陵某地面光伏电站发生火灾，整个电站一片狼藉，组件基本被烧光，只剩下一些凌乱散落的金属支架;2015年5月，苹果公司一直引以为傲的位于亚利桑那Mesa的工厂屋顶突然起火，起火点是大楼屋顶的光伏组件，现场浓烟四起，光伏组件被烧毁……桩桩件件触目惊心!随着光伏装机容量的逐年攀升，逆变器、汇流箱、大电流组件以及应用场景越来越复杂，造成火灾隐患上升。除了来自于外部原因的火灾外，光伏系统自身的火灾隐患更需引起重视。2.1设备演进，进一步带来火灾隐患1）为进一步降低光伏电站LCOE，光伏组件呈现大功率、大电流趋势。随着硅片尺寸越来越大以及电池效率越来越高，组件电流不断提高成为必然趋势。我们看到，组件电流越来越大，逆变器功率或汇流箱对应的组串数量也不断增加。设定前提：的6年前每串坦件主流在8-10A.每个集中逆变器接入100鼠2016-2020朝间海串组件电流倒(M1.5A停个集中逆弟哺2021年后，哪谶在在142网区闻每个逆蝠孙200串虻，未来集中式⑵年后)当前集中式(16-205)11.5A*200®=2300A过去集中式⑵16$前)10AMOO$=1000A观14A-20A*200事=2800A-4000A图1集中式系统：电流和组串越来越大14-20A•24-32$=336A-640A11.5A*14国串=207-276A过去甄串式E07016年)设定前握：201牌前每串蛆件主潘在8-10A,每个阻串逆食:器T3F妾入8-倏串;2016-203㈣间焦串蛆杵电流在10-11一站,每十逆变器接入18T4串;2021年后，组件电流在在14-20A,每个逆变器接入24-32串。耒来(2021-)当前组串式(16-2020^)组伴10AM0$=10t)A图2组串式系统：电流和组串越来越大随着光伏直流侧系统功率和电流增大，于之而来的故障起火风险也越来越大。当发生故障时，在故障点产生的短路电流也相应的增大，根据焦耳定律Q=I2Rt可知，电流增大一倍，短路点热效应增加4倍，起火的风险也极大的增加。未来光伏直流侧功率将进一步增大，传统方案的保护功能却没有得到任何的改进与升级，完全没有跟上系统功率演进的节奏，这个问题的解决已经到了刻不容缓的时候了。2）光伏电站的应用场景越发多样化。从荒漠走向农光、渔光、山地、屋顶发展，涵盖了光伏+建筑，光伏+农业，光伏+山地，光伏+渔业等多个复杂场景。当光伏+越来越丰富的时候，火灾就成为了最大的安全隐患。光伏电站一旦发生火灾事故，不仅会损失电站成本、发电收益，严重时还会造成建筑及人身伤害。正如大家常见的，秋末冬初，山地电站组件下方布满枯草，山火引发的损失难以估量，因此电站对防火的要求必然更高;农光电站、屋顶光伏等场景光伏组件通常布置在大棚或建筑物上方，且与人员的接触更加紧密，线缆或逆变器短路引发的火灾，将对人身财产安全产生极大的威胁。2.2防患于未然，当前系统方案无法应对未来发展如上节所述，未来组件电流的增大、组串数量越来越多是大势所趋。同时随着逆变器功率密度的增加，电流反灌时的能量也愈发增大，进而导致组件-线缆-逆变器整个电站系统的安全风险增加。因此倒逼系统需要与时俱进，做出新的创新，来迎合这个趋势，保障电站安全。当前的集中式方案一般使用16/24路直流汇流箱将组件功率进行汇集，采用支路熔丝和汇流断路器进行保护，因光伏组件短路电流仅为额定电流的1.1倍，无法达到熔丝和断路器的保护电流，因此现有的直流保护器件均无法动作。具体原理如下：如上图的A点发生短路故障，红色故障回路：QF1为汇流箱断路器，额定电流500A，由于组件的短路电流在480A左右，QF1一直不会脱扣，持续输出直流能量到故障点，维持电孤燃烧，扩大火灾事故。集中式由于直流回路长，汇流路数多，级联路数多，除了上述短路故障点A外，汇流箱、汇流柜内等都可能发生类似故障情况，风险相较组串式将更大。集中式逆变器因直流短路起火照片而当前组串式方案虽然不存在汇流箱后端短路的问题，但是当逆变器内部出现极端故障时，如内部IGBT故障造成直流母线短路，逆变器因无法分断直流输入能量，大量的能量在故障点积累可能导致进一步的问题，严重一点的将发生炸机、起火等事故。电池组件组串式逆变器逆变器炸机、起火后，明火或高温的电解液溢出，又极易引发枯草、大棚、屋顶等起火燃烧，扩大故障。这样的案例也不少见。三、行业呼吁最优解决方案，鱼与熊掌兼而有之在户用场景，部分国家、区域已经出台相关标准，包括国内部分省市的建筑行业也在推行类似标准，即在屋顶光伏上，要具备RSD功能，在每个组件后面加优化器，可以实现组件级关断，在后级出现短路等故障时，优化器可以分断组件的能量，继而避免进一步的故障扩大。这种方案可以较显著地提高系统安全，但是由于优化器当前成本仍然较高，尚无法在大型电站、以及较大型工商业电站上普遍应用。然而，随着光伏发电的快速发展、普及，光伏电站的“火灾”问题