光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)直流側短路分析

武漢經(jīng)開新能源有限公司 ■ 陳志強王志剛 唐明濤

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光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)直流側短路分析

武漢經(jīng)開新能源有限公司 ■ 陳志強*王志剛 唐明濤

摘 要：隨著光伏發(fā)電系統(tǒng)的普及和運用，越來越多的光伏電站建成發(fā)電，但與此同時，光伏電站的安全風險也日益突出。光伏直流側系統(tǒng)電壓高，一旦出現(xiàn)短路故障，極易引起電弧起火。光伏直流側設備往往安裝在建筑物的屋頂，不易被察覺，一旦起火直接威脅到建筑物本身的安全。本文從光伏發(fā)電系統(tǒng)直流側設計方案出發(fā)，通過理論計算，發(fā)現(xiàn)匯流箱、直流配電柜采用的斷路器達不到發(fā)生短路故障迅速切除電源的目的，存在很大的安全隱患，并對這一問題提出了解決方案。

關鍵詞：短路分析；光伏發(fā)電系統(tǒng)；直流側

0 引言

光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)是利用太陽電池的光生伏特效應，將太陽輻射能直接轉換成電能，并與公用電網(wǎng)有電氣連接的發(fā)電系統(tǒng)。整個系統(tǒng)由光伏組件、匯流箱、直流配電柜、逆變器、變壓器、并網(wǎng)電氣柜等一次設備和繼電保護、站內(nèi)監(jiān)控、調度自動化、通信等二次設備組成。從逆變器電源輸入和輸出來講，逆變器直流斷路器接入側以前的部分稱為直流側，逆變器交流斷路器輸出側以后的部分稱為交流側。對于交流側而言，通過電氣繼電保護，對各種短路故障都能實現(xiàn)快速、有效的切斷。對于直流側而言，盡管在匯流箱、直流配電柜安裝了斷路器等電氣元件，但在發(fā)生直流短路故障時斷路器根本不能斷開，導致因直流短路故障引起的火災事故屢見不鮮。圖1、2為光伏電站著火后現(xiàn)場圖片。

圖1　被燒毀的廠房屋面

圖2　燒斷的電纜

根據(jù)國家能源局最新年度電力并網(wǎng)數(shù)據(jù)顯示， 2014年全國累計并網(wǎng)太陽能光伏裝機量已達26.52 GW。隨著分布式光伏政策的實施，將會有越來越多大小不等的光伏電站分布在各地工業(yè)與民用建筑屋頂。在屋頂安裝的直流側設備，如光伏組件、匯流箱、直流電纜及橋架等，運行工況惡劣、數(shù)量多、分布廣、隱患難以察覺，如沒有可靠的電氣保護，一旦出現(xiàn)直流側短路著火事故，將直接威脅建筑的安全，造成的后果難以想象。

光伏系統(tǒng)直流側設備出現(xiàn)起火的因素很多，如在光伏組件封裝過程中電池片焊接質量存在缺陷、背板材料失效、接線盒二極管散熱空間不夠等，也會出現(xiàn)局部過熱現(xiàn)象，導致著火事故，這需從光伏組件封裝工藝的角度加以分析解決。本文著重對光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)直流側出現(xiàn)的短路故障進行分析，對當前直流側電氣設備設計存在的問題進行探討，便于完善電氣保護設計，預防直流短路電弧起火。

1 直流側電氣設計

光伏發(fā)電站根據(jù)安裝容量可分為大型(大于30 MWp)、中型(1～30 MWp)、小型(小于1 MWp)3種系統(tǒng)。在光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)設計中，經(jīng)常采用1 MWp為一個光伏發(fā)電子單元來進行模塊化設計。結合逆變器電氣運行參數(shù)和光伏組件的電氣參數(shù)、溫度系數(shù)等因素，首先計算出多少塊光伏組件串聯(lián)在一起形成具有一定直流電輸出的電路單元；其次根據(jù)逆變器直流側輸入路數(shù)、電纜線損、布線條件等方面進行匯流箱、直流配電柜的設計。圖3是光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)直流側典型的設計方案，其中K-1點為光伏組串至匯流箱段線路短路點；K-2點為匯流箱至直流柜段線路短路點；K-3點為直流柜至逆變器段線路短路點。

圖3中21塊240 Wp多晶硅光伏組件串聯(lián)在一起，形成一個光伏組串。每10個光伏組串通過4 mm2的光伏電纜并聯(lián)接入10進1出的匯流箱。匯流箱設置防反二極管、熔斷器、直流斷路

表1　系統(tǒng)各部分電氣參數(shù)

器及浪涌防雷保護器。5個一級匯流箱分別通過2根25 mm2的光伏電纜接入直流配電柜，進行二次匯流后接入逆變器。系統(tǒng)各部分電氣參數(shù)見表1。

2 直流側短路分析

2.1 太陽電池短路分析

太陽電池等效電路模型圖如圖4所示。

圖3　直流側電氣設計原理圖

圖4　太陽電池等效電路模型圖

通過負載的電流：

式中，IL為光生電流；ID為通過p-n結的正向電流；IP為漏電流；RP為等效并聯(lián)電阻。

根據(jù)肖克萊方程：

式中，q為單位電荷量；v為偏電壓；k為普朗克常數(shù)；T為p-n結絕對溫度；IS為反向飽和電流。

將式(2)代入式(1)得：在短路狀態(tài)下，IL=Isc，即光生電流等于短路電流。

分析光生電流，可將太陽光譜劃分為許多段，每段只有很窄的波長范圍。太陽電池光生電流就等于每段光譜產(chǎn)生電流的累積值，即：

Isc=∫0∞IL(λ)≈∫λ0.3μmIL(λ)dλ=(1–R(λ))qF(λ)η(λ)dλ (4)

式中，λ0為本征吸收波長限；R(λ)為表面反射率；F(λ)為太陽能光譜中波長為λ～(λ+dλ)；dλ為波長增加量。

對于同種類型的太陽電池，在標準太陽輻照強度下，吸收的每段波長范圍內(nèi)的光子數(shù)為定值。這意味著在標準狀態(tài)下，太陽電池的短路電流恒定。在等效電路模型中應按照恒流源來計算各處的短路電流。

2.2 K-1點短路分析

K-1點短路等效電路圖如5所示。流計算式為：

Ik′′

2)匯流箱內(nèi)防反二極管被擊穿的情況下，短路點承受來自其余光伏組串的短路電流。

此時短路電流計算式為：

式中，m為匯流箱并聯(lián)路數(shù)。

Ik′′=9×8.69=78.21 A

Ik′

從上述分析可知，對于光伏組串接入?yún)R流箱這一段，線路上任何一點發(fā)生短路故障，都能通過熔斷器、防反二極管快速、有效地切斷或阻斷電路。

2.3 K-2點短路分析

K-2點短路等效電路圖如圖6所示。

K-1點發(fā)生短路，短路電流計算分兩種情況：

1)匯流箱內(nèi)防反二極管正常的情況下，短路點承受來自1路光伏組串的短路電流。其短路電

此時K-2短路點將承受來自兩個方向的短路電流：短路點至直流配電柜短路電流Ik′1′；匯流箱至短路點短路電流Ik′2′ 。

1)對于Ik1′，短路電流為直流柜內(nèi)其他匯流箱短路電流之和，即：

式中，n為直流柜并聯(lián)路數(shù)。

Ik′1′ =4×10×8.69 A=347.6 A

I′n

圖5　K-1點短路等效電路圖

圖6　K-2點短路等效電路圖

0路器瞬時脫扣電流)。

2)對于Ik2′ ，短路電流為單個匯流箱的短路電流：

=10×8.69 A=86.9 A Ik2′

與此同時，匯流箱內(nèi)熔斷器通過的短路電流為單個光伏陣列的短路電流，Ik′=Isc=8.69 A。

Ik′′

通過上述分析可知，對于匯流箱至直流配電柜這一段，線路上任何一點發(fā)生短路故障，都不能通過匯流箱斷路器、直流配電柜斷路器快速、有效地切斷電路。由于短路點直流高壓的存在(約700 V)，很容易發(fā)生直流拉弧起火，從而波及周邊的電纜，進而導致短路的連鎖效應，火勢將持續(xù)擴大，造成嚴重的后果。

2.4 K-3點短路分析

K-3點短路等效電路圖如圖7所示。路電流，極易導致嚴重的電氣火災，故該段線路是線路保護設計應考慮的重點。

2)對于I′k2，由于逆變器直流側短路保護功能，逆變器內(nèi)的高頻電容器(IGBT高頻電源)通過K-3短路點放電，放電過程會在直流輸入端產(chǎn)生短時過電流，一旦電流值大于逆變器直流過流設定值時，逆變器電流傳感器會傳送過流電信號給控制器 ，逆變器會切斷直流斷路器。

同時為了防止直流側短路發(fā)生電網(wǎng)能量倒灌，逆變器檢測直流側的電壓，保證其始終高于交流側電壓峰值，一旦出現(xiàn)交流側電壓峰值或逆電流方向，逆變器將斷開交流側斷路器，切斷后面電路。

綜上所述，在直流側光伏陣列系統(tǒng)設計圖中，除了匯流箱安裝的避雷器對地連接外，其余各處正、負極都是對地絕緣，絕緣電阻要求不小于1 MΩ。通過對等效電路模型K-1處、K-2處、K-3處短路分析可知，在直流側任意一點出現(xiàn)短路，都達不到匯流箱、直流配電柜、逆變器所安裝的直流斷路器瞬時脫扣電流。對于短路故障點繼續(xù)保持接通狀態(tài)，其余各分支并聯(lián)電路均會通過短路故障點持續(xù)大電流放電，就極易產(chǎn)生電弧起火。

3 解決方案探討

光伏系統(tǒng)直流側在實際運行中，其工作電流和短路電流值接近，二者還會根據(jù)光照條件和環(huán)境溫度發(fā)生變化，斷路器的保護定值難以確定，基于傳統(tǒng)斷路器和熔斷器保護設計的匯流箱和直流配電柜在短路故障發(fā)生時，達不到迅速切除電源的目的。

為了解決這一問題，筆者采用傳感器檢測技術、自動控制技術設計了一套光伏直流側短路保護裝置。該裝置可安裝于匯流箱和直流配電柜內(nèi)，通過傳感器檢測母排上正、負極電壓和電流值的大小，然后將檢測結果送入微處理器進行邏輯比較運算，判斷線路是否有短路故障。根據(jù)現(xiàn)場試

此時K-3短路點將承受來自兩個方向的短路電流：直流配電柜至短路點之間的短路電流I′k1；短路點至逆變器之間的短路電流I′k2。

1)對于I′k1，短路電流為直流柜內(nèi)所有匯流箱短路電流之和：

I′k1=5×10×8.69 A=434.5 A

圖7　K-3點短路等效電路圖

直流柜內(nèi)斷路器通過的短路電流為86.9 A，小于直流柜內(nèi)斷路器動作電流125 A，直流柜內(nèi)斷路器不動作。由于短路點承載了434.5A的短驗，當匯流箱出線電纜出現(xiàn)正負極短路時，若短路點為物理接觸，正負之間電壓瞬間跌落至零；如維持在約2 cm電弧持續(xù)放電，正負之間電壓在50～100 V之間波動。這樣就可通過軟件分析電壓、電流值的變化，確定短路故障，及時發(fā)出分閘信號，驅動斷路器分勵線圈脫扣，切斷電源。新型匯流箱電氣原理圖如圖8所示，新型直流配電柜電氣原理圖如圖9所示。

該技術的優(yōu)勢在于檢測技術成熟，通過微處理器對數(shù)據(jù)進行處理，軟件的運算邏輯便于修改，適合于各型光伏組件和各種安裝環(huán)境下組成的光伏系統(tǒng)，具有很強的通用性。同時還能監(jiān)測電壓、電流、發(fā)電量、溫度、斷路器狀態(tài)和防雷器狀態(tài)，以及實現(xiàn)遠程分閘，增加系統(tǒng)的遠程監(jiān)測和控制能力。

4 結束語

1) 光伏電站使用的傳統(tǒng)產(chǎn)品防雷匯流箱、直流配電柜實現(xiàn)不了直流短路保護的功能，一旦直流電纜出現(xiàn)破損其后果非常嚴重，將直接威脅光伏電站及建筑物本身的安全，

務必引起光伏電站投資方、設計方、建設方的高度重視。

2) 設計改進后的新型匯流箱、新型直流配電柜通過對正、負極電壓，電流信號的比較判斷，無論是出現(xiàn)正負極之間的短路故障，還是單極對地短路故障，都能快速、有效地直接驅動斷路器的脫扣器動作，達到斷開直流電路的功能，防止出現(xiàn)連續(xù)直流放電拉弧起火。

3) 有關文獻提出對于光伏電站采用基于感溫電纜的監(jiān)控系統(tǒng)來實現(xiàn)火災預警的方法，筆者認為這不是直接有效的方法。一旦電纜溫度超過設定值，操作人員必須趕到現(xiàn)場手動將匯流箱斷路器脫開，才能起到斷開直流電路的目的。因此，在光伏電站上采用新型、改進后的匯流箱和直流配電柜無疑有十分重要的意義。

圖3　待測電池A和B與參比電池的量子效率曲線

圖8　新型匯流箱電氣原理圖

圖9　新型直流配電柜電氣原理圖

通信作者：陳志強 (1975—)，男，高級工程師、研究生，主要從事光伏電站的設計及應用方面的研究。chenzq@126.com

收稿日期：2015-03-17