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新能源电站安全,刻不容缓

作者:中国储能网新闻中心 来源:中国能源报 发布时间:2021-03-02 浏览:
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一、背景

伴随碳达峰、碳中和成为2021年中国经济工作中的一项重要任务,光伏将承担主力军的角色,同时也将进入一个蓬勃发展的新时代。可以预见,不管是地面电站,还是分布式电站,光伏的装机量都将进入大规模增长的阶段,但是与之而来的“安全问题”也越来越多,引起行业的关注和重视。

安全是光伏电站的命脉,也是取得投资回报的根基所在。不管在地面、山地、屋顶等光伏电站场景,安全几乎是一票否决的原则问题。

二、电站发生火灾的原因

火灾,是光伏电站的最大安全隐患。据记者统计,光伏行业近3年内已有45起典型的火灾事故。2020年2月2日,山西运城稷山县太阳能光伏发电项目所在的山坡上发生火灾;2018年4月19日,安徽铜陵某地面光伏电站发生火灾,整个电站一片狼藉,组件基本被烧光,只剩下一些凌乱散落的金属支架;2015年5月,苹果公司一直引以为傲的位于亚利桑那Mesa的工厂屋顶突然起火,起火点是大楼屋顶的光伏组件,现场浓烟四起,光伏组件被烧毁……

桩桩件件触目惊心!随着光伏装机容量的逐年攀升,逆变器、汇流箱、大电流组件以及应用场景越来越复杂,造成火灾隐患上升。除了来自于外部原因的火灾外,光伏系统自身的火灾隐患更需引起重视。

2.1 设备演进,进一步带来火灾隐患

1)为进一步降低光伏电站LCOE,光伏组件呈现大功率、大电流趋势。随着硅片尺寸越来越大以及电池效率越来越高,组件电流不断提高成为必然趋势。我们看到,组件电流越来越大,逆变器功率或汇流箱对应的组串数量也不断增加。

随着光伏直流侧系统功率和电流增大,于之而来的故障起火风险也越来越大。当发生故障时,在故障点产生的短路电流也相应的增大,根据焦耳定律Q=I²Rt可知,电流增大一倍,短路点热效应增加4倍,起火的风险也极大的增加。未来光伏直流侧功率将进一步增大,传统方案的保护功能却没有得到任何的改进与升级,完全没有跟上系统功率演进的节奏,这个问题的解决已经到了刻不容缓的时候了。

2)光伏电站的应用场景越发多样化。从荒漠走向农光、渔光、山地、屋顶发展,涵盖了光伏+建筑,光伏+农业,光伏+山地,光伏+渔业等多个复杂场景。当光伏+越来越丰富的时候,火灾就成为了最大的安全隐患。光伏电站一旦发生火灾事故,不仅会损失电站成本、发电收益,严重时还会造成建筑及人身伤害。

正如大家常见的,秋末冬初,山地电站组件下方布满枯草,山火引发的损失难以估量,因此电站对防火的要求必然更高;农光电站、屋顶光伏等场景光伏组件通常布置在大棚或建筑物上方,且与人员的接触更加紧密,线缆或逆变器短路引发的火灾,将对人身财产安全产生极大的威胁。

2.2 防患于未然,当前系统方案无法应对未来发展

如上节所述,未来组件电流的增大、组串数量越来越多是大势所趋。同时随着逆变器功率密度的增加,电流反灌时的能量也愈发增大,进而导致组件-线缆-逆变器整个电站系统的安全风险增加。因此倒逼系统需要与时俱进,做出新的创新,来迎合这个趋势,保障电站安全。

当前的集中式方案一般使用16/24路直流汇流箱将组件功率进行汇集,采用支路熔丝和汇流断路器进行保护,因光伏组件短路电流仅为额定电流的1.1倍,无法达到熔丝和断路器的保护电流,因此现有的直流保护器件均无法动作。具体原理如下:

如上图的A点发生短路故障,红色故障回路:QF1为汇流箱断路器,额定电流500A,由于组件的短路电流在480A左右,QF1一直不会脱扣,持续输出直流能量到故障点,维持电弧燃烧,扩大火灾事故。

集中式由于直流回路长,汇流路数多,级联路数多,除了上述短路故障点A外,汇流箱、汇流柜内等都可能发生类似故障情况,风险相较组串式将更大。

▲图3 集中式逆变器因直流短路起火照片

而当前组串式方案虽然不存在汇流箱后端短路的问题,但是当逆变器内部出现极端故障时,如内部IGBT故障造成直流母线短路,逆变器因无法分断直流输入能量,大量的能量在故障点积累可能导致进一步的问题,严重一点的将发生炸机、起火等事故。

逆变器炸机、起火后,明火或高温的电解液溢出,又极易引发枯草、大棚、屋顶等起火燃烧,扩大故障。这样的案例也不少见。

三、行业呼吁最优解决方案,鱼与熊掌兼而有之

在户用场景,部分国家、区域已经出台相关标准,包括国内部分省市的建筑行业也在推行类似标准,即在屋顶光伏上,要具备RSD功能,在每个组件后面加优化器,可以实现组件级关断,在后级出现短路等故障时,优化器可以分断组件的能量,继而避免进一步的故障扩大。这种方案可以较显著地提高系统安全,但是由于优化器当前成本仍然较高,尚无法在大型电站、以及较大型工商业电站上普遍应用。

然而,随着光伏发电的快速发展、普及,光伏电站的“火灾”问题将会成为行业隐患!电站“安全性”必须引起全行业的高度重视;如何能解决安全问题,又不提高光伏发电的LCOE(度电成本)?我们呼吁行业提出创新解决方案,完善相关标准,让后续的光伏电站能真正落实相关要求;真正让电站安心无忧,让我们的碳中和之路走得更稳更踏实。

关键字:光伏电站

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