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          光伏發電站安全生產刻不容緩
          發布時間:2021-03-07 發布人:
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          背景

           

           

          伴隨碳達峰、碳中和成為2021年中國經濟工作中的一項重要任務,光伏將承擔主力軍的角色,同時也將進入一個蓬勃發展的新時代??梢灶A見,不管是地面電站,還是分布式電站,光伏的裝機量都將進入大規模增長的階段,但是與之而來的“安全問題”也越來越多,引起行業的關注和重視。

           

          安全是光伏電站的命脈,也是取得投資回報的根基所在。不管在地面、山地、屋頂等光伏電站場景,安全幾乎是一票否決的原則問題。

           

          電站發生火災的原因

           

          火災,是光伏電站的最大安全隱患。據記者統計,光伏行業近3年內已有45起典型的火災事故。2020年2月2日,山西運城稷山縣太陽能光伏發電項目所在的山坡上發生火災;2018年4月19日,安徽銅陵某地面光伏電站發生火災,整個電站一片狼藉,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,起火點是大樓屋頂的光伏組件,現場濃煙四起,光伏組件被燒毀……

           

          樁樁件件觸目驚心!隨著光伏裝機容量的逐年攀升,逆變器、匯流箱、大電流組件以及應用場景越來越復雜,造成火災隱患上升。除了來自于外部原因的火災外,光伏系統自身的火災隱患更需引起重視。

           

          2.1 設備演進,進一步帶來火災隱患

           

          1)為進一步降低光伏電站LCOE,光伏組件呈現大功率、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的組串數量也不斷增加。

          圖1  集中式系統:電流和組串越來越大

          2  組串式系統電流和組串越來越大

           

          隨著光伏直流側系統功率和電流增大,與之而來的故障起火風險也越來越大。當發生故障時,在故障點產生的短路電流也相應的增大,根據焦耳定律Q=I²Rt可知,電流增大一倍,短路點熱效應增加4倍,起火的風險也極大的增加。未來光伏直流側功率將進一步增大,傳統方案的保護功能卻沒有得到任何的改進與升級,完全沒有跟上系統功率演進的節奏,這個問題的解決已經到了刻不容緩的時候了。

           

          2)光伏電站的應用場景越發多樣化。從荒漠走向農光、漁光、山地、屋頂發展,涵蓋了光伏+建筑,光伏+農業,光伏+山地,光伏+漁業等多個復雜場景。當光伏+越來越豐富的時候,火災就成為了最大的安全隱患。光伏電站一旦發生火災事故,不僅會損失電站成本、發電收益,嚴重時還會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,山火引發的損失難以估量,因此電站對防火的要求必然更高;農光電站、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的火災,將對人身財產安全產生極大的威脅。

           

          2.2 防患于未然,當前系統方案無法應對未來發展

           

          如上節所述,未來組件電流的增大、組串數量越來越多是大勢所趨。同時隨著逆變器功率密度的增加,電流反灌時的能量也愈發增大,進而導致組件-線纜-逆變器整個電站系統的安全風險增加。因此倒逼系統需要與時俱進,做出新的創新,來迎合這個趨勢,保障電站安全。

           

          當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行匯集,采用支路熔絲和匯流斷路器進行保護,因光伏組件短路電流僅為額定電流的1.1倍,無法達到熔絲和斷路器的保護電流,因此現有的直流保護器件均無法動作。具體原理如下:

          如上圖的A點發生短路故障,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,QF1一直不會脫扣,持續輸出直流能量到故障點,維持電弧燃燒,擴大火災事故。

           

          集中式由于直流回路長,匯流路數多,級聯路數多,除了上述短路故障點A外,匯流箱、匯流柜內等都可能發生類似故障情況,風險相較組串式將更大。

          圖3 集中式逆變器因直流短路起火照片

           

           

          而當前組串式方案雖然不存在匯流箱后端短路的問題,但是當逆變器內部出現極端故障時,如內部IGBT故障造成直流母線短路,逆變器因無法分斷直流輸入能量,大量的能量在故障點積累可能導致進一步的問題,嚴重一點的將發生炸機、起火等事故。

                                                 

          逆變器炸機、起火后,明火或高溫的電解液溢出,又極易引發枯草、大棚、屋頂等起火燃燒,擴大故障。這樣的案例也不少見。

           

          行業呼吁最優解決方案,魚與熊掌兼而有之

           

          在戶用場景,部分國家、區域已經出臺相關標準,包括國內部分省市的建筑行業也在推行類似標準,即在屋頂光伏上,要具備RSD功能,在每個組件后面加優化器,可以實現組件級關斷,在后級出現短路等故障時,優化器可以分斷組件的能量,繼而避免進一步的故障擴大。這種方案可以較顯著地提高系統安全,但是由于優化器當前成本仍然較高,尚無法在大型電站、以及較大型工商業電站上普遍應用。

           

          然而,隨著光伏發電的快速發展、普及,光伏電站的“火災”問題將會成為行業隱患!電站“安全性”必須引起全行業的高度重視;如何能解決安全問題,又不提高光伏發電的LCOE(度電成本)?我們呼吁行業提出創新解決方案,完善相關標準,讓后續的光伏電站能真正落實相關要求;真正讓電站安心無憂,讓我們的碳中和之路走得更穩更踏實。

          End
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          出品 | 中國能源報(ID:cnenergy)
          責編丨閆志強
          見習編輯 | 李澤民
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