關注光伏電站安全，刻不容緩！
光伏產業網訊
發布日期：2021-03-02
核心提示：
關注光伏電站安全，刻不容緩！
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。可以預見，無論是地面電站，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”是一票否決的原則問題。 火災，是光伏電站的最大安全隱患。據初步統計，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……干燥的春季尤其是火災多發季節
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。
一、火災發生的原因分析
1、設備演進，進一步帶來火災隱患
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
圖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，隨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、復雜化
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。
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。
二、防患于未然，需要系統方案升級配合!
如前文所述，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。
集中式逆變器因直流短路起火照片
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。
三、光伏電力：更安全、更便宜，兩手都要硬!
在戶用光伏場景，部分國家、區域已經出臺相關標準。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)?行業需要提出創新性的解決方案，并完善相關標準，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。