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關(guān)注光伏電站安全,刻不容緩!

智匯光伏發(fā)布時間:2021-03-02 08:52:52

伴隨碳達峰、碳中和成為2021年中國經(jīng)濟工作中的一項重要任務(wù),光伏將承擔(dān)主力軍的角色,同時也將進入一個蓬勃發(fā)展的新時代??梢灶A(yù)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(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,也是取得投資回報的根基所在。不管在地面、山地、屋頂?shù)裙夥娬緢鼍埃?ldquo;安全”是一票否決的原則問題。 火災(zāi),是光伏電站的最大安全隱患。據(jù)初步統(tǒng)計,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,山西運城稷山縣太陽能光伏發(fā)電項目所在的山坡上發(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?shù)墓夥M件,現(xiàn)場濃煙四起,光伏組件被燒毀……干燥的春季尤其是火災(zāi)多發(fā)季節(jié)

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(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。

一、火災(zāi)發(fā)生的原因分析

1、設(shè)備演進,進一步帶來火災(zāi)隱患

為進一步降低光伏電站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。

 


 

圖1 集中式系統(tǒng):電流和組串越來越大

 


 

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,隨之而來的故障起火風(fēng)險也越來越大。

當(dāng)發(fā)生故障時,在故障點產(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,短路點熱效應(yīng)增加4倍,起火的風(fēng)險也極大的增加。

未來,光伏直流側(cè)功率將進一步增大,傳統(tǒng)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(tǒng)功率演進的節(jié)奏!這個問題的解決,已經(jīng)到了刻不容緩的時候了。

2、光伏電站的應(yīng)用場景越發(fā)多樣化、復(fù)雜化

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)等多個復(fù)雜場景。

當(dāng)“光伏+”越來越豐富的時候,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,不僅會損失電站成本、發(fā)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(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),將對人身財產(chǎn)安全產(chǎn)生極大的威脅。

二、防患于未然,需要系統(tǒng)方案升級配合!

如前文所述,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,隨著逆變器功率密度的增加,電流反灌時的能量也愈發(fā)增大,進而導(dǎo)致組件-線纜-逆變器整個電站系統(tǒng)的安全風(fēng)險增加。因此,倒逼系統(tǒng)需要與時俱進,做出新的創(chuàng)新,來迎合這個趨勢,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(xiàn)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(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,QF1一直不會脫扣,持續(xù)輸出直流能量到故障點,維持電弧燃燒,擴大火災(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)險相較組串式將更大。

 


 

集中式逆變器因直流短路起火照片

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,如內(nèi)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(dǎo)致進一步的問題,嚴重一點的將發(fā)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(fā)枯草、大棚、屋頂?shù)绕鸹鹑紵?,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(qū)域已經(jīng)出臺相關(guān)標準。國內(nèi)部分省市的建筑行業(yè)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(yōu)化器,可以實現(xiàn)組件級關(guān)斷,在后級出現(xiàn)短路等故障時,優(yōu)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(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)”問題將會成為行業(yè)隱患!電站“安全性”必須引起全行業(yè)的高度重視;如何能解決安全問題,又不提高光伏發(fā)電的LCOE(度電成本)?行業(yè)需要提出創(chuàng)新性的解決方案,并完善相關(guān)標準,讓后續(xù)的光伏電站能真正落實相關(guān)要求;真正讓電站安心無憂,讓我們的碳中和之路走得更穩(wěn)更踏實。

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