组串式与集中式光伏电站安全对比概要.docx

组串式与集中式光伏电站安全对比本文通过分析对比组串式与集中式两种应用广泛的电站解决方案，通过理论与实际案例分析它们的安全性差异，供业界探讨。1组串式和集中式电站结构对比集中式光伏电站解决方案主要包括组件、直流汇流箱、直流配电柜、逆变器及其配套的逆变器房或集装箱体、箱式升压变等。与集中式方案相比，组串式方案减少了直流设备和逆变房等配套设施，增加了交流汇流箱，缩短了高压直流的传输距离，国内主流的组串式方案更采用了无熔断器设计，自然散热的简洁方案。图1组串式和集中式方案电站结构对比主要电气设备对比：　电缆对比：2、组串式和集中式安全风险对比本文中分析的安全风险，是指光伏电站中可能引发火灾或对人身安全产生威胁的风险点。根据前述中关于组串式与集中式的对比，最大差异就是交流和直流电缆距离的不同，而交流输电与直流输电在安全性有显著的差异。直流供电主要用于于安全电压48V以下的控制系统及后备电源使用，或是特高压长距离直流输电（±400kV以上）工程中。1000V直流输电是伴随着光伏的发展而兴起，其配套的相关电气设备还有待完善，甚至有部分厂家使用交流断路器充当直流断路器使用的情况。在开关元件中，在发生故障时能够正确灭弧是衡量开关元器件最重要的一项技术指标。由于交流系统存在过零点（注释：工业交流电每半周电流要过零一次，交流电流总是在电流过零时熄灭的），开关元件在断开故障电流时，能够利用过电压过零点进行灭弧，而且由于电弧的产生电压要比维持电压高得多，所以，交流电弧在过零点处熄灭后很难再产生。而直流没有过零点，电压一直存在，电弧持续燃烧，必须拉开足够的弧长距离才能够可靠熄灭。接线不良、电缆绝缘破损等也会引起拉弧，具有较高热能的电弧的出现使得电站存在一个火灾的隐患，也是光伏电站发生火灾的最主要因素。从总体上看，交流系统部分相对成熟可靠，电站的安全性风险主要来自直流部分。必须采取严谨的设计、减少直流系统长度，同时进行精心的电气设备选型，以保障电站安全。2.1组串式逆变器到交流汇流箱与集中式直流汇流箱到配电柜安全对比在集中式方案中，直流汇流箱到直流配电柜这段电缆，电压高达500~800Vdc，按照16进1出的直流汇流箱进行计算，电流大约在130A左右，长度一般超过100米，在山地光伏电站或建筑光伏系统中，由于地形及建筑物的因素，长度可能会超过300米。这段电缆是集中式方案较易发生着火事故的一段电缆，且由于能量大，影响范围及后果严重。组串式方案逆变器至汇流箱的电能传输为交流输电，电压变为380Vac或480Vac，电流一般控制在50A以内，大大降低了发生火灾的可能性。2.1.1集中式直流汇流箱到配电柜安全风险分析如图2所示，当短路故障（A点）发生在直流汇流箱和配电柜进线断路器之间时，存在直流回路（红色）和交流回路（蓝色）。1）直流回路：由于短路电流较小，直流断路器QF3为防止误动作，一般整定电流都较大，使得汇流箱直流断路器QF3无法跳脱切断回路，从而使得汇流箱输出持续的直流能量到短路点，维持电弧燃烧，使火灾风险持续扩大。（注释：正负短路形成回路，短路电流小于断路器的整定电流，断路器壳体参数li=10ln，断路器在短路时，当短路电流达到断路器额定电流10倍时，断路器就可以跳开。断路器额定电流值的10倍数值就是短路保护的整定值，这个值一般很大。）2）交流回路：电流主要来自电网侧，在直流断路器QF1及交流断路器QF2动作前，逆变单元IGBT（逆变电路模块）将承受较大的故障电流，可能会对其产生严重的损坏。图2直流汇流箱到配电柜故障案例：2014年7月，某屋顶光伏电站发生着火，彩钢瓦屋顶被烧穿了几个大洞，厂房内设备烧毁若干，损失惨重。最终分析原因为：由于施工或其他原因导致某汇流箱线缆对地绝缘降低，在环流、漏电流的影响下进一步加剧，最终引起绝缘失效，线槽中的正负极电缆出现短路、拉弧，导致了着火事故的发生。图3直流汇流箱到配电柜电缆故障致屋顶烧毁案例：2014年5月，某山地光伏电站发生着火，当地林业部门立即责令停止并网发电，进行全面风险评估，持续时间三个月，造成了数百万的损失。最终分析原因为：由于某汇流箱电缆在施工时被拖拽磨损，在运行一段时间后绝缘失效，正负极电缆出现短路、拉弧，导致了着火事故的发生。图4直流汇流箱到配电柜电缆破损短路故障引发山地着火2.1.2组串式逆变器到交流汇流箱安全风险分析如图5所示，当短路故障（A点）发生在组串式逆变器和交流汇流箱之间时，存在逆变器输出的交流回路（红色）和电网侧的交流回路（蓝色）。1）逆变器输出交流回路：组串式逆变器均具有限流输出功能，在逆变器检测到电网电压异常，会立即控制逆变器脱网，切断故障点的直流侧电流。2）电网侧交流回路：交流断路器QF1会进行短路保护，切断电网过来的短路回路，不会造成任何影响。图5交流侧故障小结：集中式直流汇