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電站安全,刻不容緩

光伏們發(fā)布時(shí)間:2021-03-02 10:14:26

文章來源:投稿,不代表光伏們觀點(diǎn),僅供讀者參考。


一、背景


伴隨碳達(dá)峰、碳中和成為2021年中國(guó)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。可以預(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(zhǎng)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?chǎng)景,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(chǎng)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(chǎng)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(shì)。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(shì)。我們看到,組件電流越來越大,逆變器功率或匯流箱對(duì)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,與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(jí),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(chǎng)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(chǎng)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(duì)防火的要求必然更高;農(nóng)光電站、屋頂光伏等場(chǎng)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(duì)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(duì)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(shì)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(shì),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),維持電弧燃燒,擴(kuò)大火災(zāi)事故。


集中式由于直流回路長(zhǎng),匯流路數(shù)多,級(jí)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?,大量的能量在故障點(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。



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(chǎng)景,部分國(guó)家、區(qū)域已經(jīng)出臺(tái)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn),包括國(guó)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(jí)關(guān)斷,在后級(jí)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)”問題將會(huì)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)?我們呼吁行業(yè)提出創(chuàng)新解決方案,完善相關(guān)標(biāo)準(zhǔn),讓后續(xù)的光伏電站能真正落實(shí)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(shí)。

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