探討光伏電站直流發(fā)電系統(tǒng)保護(hù)配置

余國(guó)忠

（深圳供電局有限公司，廣東 深圳518000）

光伏發(fā)電技術(shù)作為一種綠色、清潔的發(fā)電技術(shù)，受到世界各個(gè)國(guó)家的高度重視和發(fā)展。近年來(lái)，隨著光伏發(fā)電技術(shù)的不斷進(jìn)步，世界各地建成了大量的大型并網(wǎng)型光伏電站，成為電力系統(tǒng)過(guò)程中最重要的電能供應(yīng)設(shè)施之一，為電網(wǎng)供應(yīng)了大量的清潔、可再生電能。與此同時(shí)，光伏電站由于短路、設(shè)備故障等原因，也造成了大量的安全問(wèn)題，阻礙了光伏產(chǎn)業(yè)的發(fā)展和光伏發(fā)電技術(shù)的進(jìn)一步推廣。特別是對(duì)于大型并網(wǎng)型光伏電站來(lái)說(shuō)，由于電站的設(shè)備數(shù)量多、運(yùn)行環(huán)境復(fù)雜，更容易發(fā)生各種設(shè)備故障或短路問(wèn)題，輕則影響電站的正常運(yùn)行，重則可能引起電站火災(zāi)，造成設(shè)備損壞或電站工作人員安全隱患[1]。

基于此，本文以某公司光伏電站為例，展開(kāi)對(duì)光伏電站直流發(fā)電系統(tǒng)保護(hù)配置研究，探討直流側(cè)保護(hù)配置的改進(jìn)措施。

1 直流輸電系統(tǒng)主要特點(diǎn)在光伏發(fā)電中的應(yīng)用

1.1 直流輸電系統(tǒng)主要特點(diǎn)

近年來(lái)，隨著中國(guó)學(xué)者對(duì)直流輸電系統(tǒng)研究的不斷深入，在高壓直流輸電研究和應(yīng)用方面，取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步，特別是在輸電系統(tǒng)保護(hù)、輸電損耗控制等方面。但總體而言，中國(guó)在直流輸電研究和應(yīng)用，依然存在較多的問(wèn)題。比如對(duì)于受端網(wǎng)絡(luò)輸電系統(tǒng)，或者其他類(lèi)似的有源直流輸電系統(tǒng)，不僅會(huì)因?yàn)橄到y(tǒng)中的換流器，導(dǎo)致系統(tǒng)供電存在較大的諧波，在供電過(guò)程中，還容易發(fā)生換相失敗的問(wèn)題，特別是當(dāng)供電對(duì)象為一些短路容量較低的系統(tǒng)時(shí)，變相失敗的問(wèn)題時(shí)有發(fā)生[2]。得益于電力電子技術(shù)的快速發(fā)展，以高功率門(mén)極可關(guān)斷晶閘管為代表的一系列全控型器件不斷突破技術(shù)瓶頸，越來(lái)越多地應(yīng)用于輸電系統(tǒng)中，極大地解決了直流輸電系統(tǒng)的不足，加之電壓等級(jí)不斷增高，顯著提升了系統(tǒng)短路容量，為從根本上解決直流輸電系統(tǒng)應(yīng)用瓶頸奠定了基礎(chǔ)。在直流輸電系統(tǒng)中，將傳統(tǒng)系統(tǒng)廣泛使用的半控型器件，全面替換為運(yùn)用PWM與VSC等新技術(shù)制造全控型器件，并以電壓源換流器為核心，可有效克服傳統(tǒng)直流輸電系統(tǒng)的不足，形成一種先進(jìn)的柔性直流輸電系統(tǒng)，又叫做輕型直流輸電系統(tǒng)，特點(diǎn)如下：①該系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)電源變換的全方位控制，降低電網(wǎng)受到的電源間歇性的影響；②可有效克服交流輸電的不足，對(duì)交流系統(tǒng)進(jìn)行及時(shí)有功調(diào)節(jié)和無(wú)功補(bǔ)償，從而有效克服交流輸電系統(tǒng)的電容效應(yīng)的不良影響，在保證供電的可靠性和供電質(zhì)量的基礎(chǔ)上，有效延長(zhǎng)供電距離[3]；③線路造價(jià)較低，首先，直流輸電線路可有效杜絕交流電路中的集膚效應(yīng)，實(shí)現(xiàn)導(dǎo)線截面的最大化利用，僅需交流電路1/3的導(dǎo)線截面，即可達(dá)到同等供電功率，且直流輸電多使用兩線制，可有效節(jié)約電線材料成本，其次，系統(tǒng)的線路走廊較小，對(duì)桿塔要求較低，相較于交流系統(tǒng)，可有效降低建造成本；④直流輸電系統(tǒng)可通過(guò)對(duì)額定電流的有效控制，有效克服交流電路短路電流控制問(wèn)題，短路容量不易受到直流聯(lián)網(wǎng)影響[4]。

1.2 直流輸電在光伏發(fā)電中的應(yīng)用

現(xiàn)階段，雖然中國(guó)光伏產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速，在西北部的新疆、青海等地，聚集大范圍的GWp級(jí)光伏發(fā)電項(xiàng)目，但受晝夜交替、天氣等因素影響，光伏發(fā)電無(wú)可避免地具有間歇性的特征，且具有較為嚴(yán)重的諧波問(wèn)題。通過(guò)合理運(yùn)用柔性直流輸電系統(tǒng)，可有效克服光伏發(fā)電系統(tǒng)的不足，為光伏入網(wǎng)奠定良好基礎(chǔ)，具體作用如下。

1.2.1 改善光伏電源間歇性

受日夜交替、天氣、風(fēng)沙、光照輻射不均等因素影響，光伏發(fā)電系統(tǒng)輸出功率具有明顯的間接性和不確定性，造成波形閃邊、諧波污染等問(wèn)題，是限制光伏入網(wǎng)的主要因素，運(yùn)用柔性直流輸電系統(tǒng)，其可以起到等效電容的作用，有效平抑輸出功率波動(dòng)問(wèn)題，提高輸出功率穩(wěn)定性[5]。

1.2.2 減少或避免逆變環(huán)節(jié)產(chǎn)生的損耗

與交流輸電系統(tǒng)不同，采用直流輸電系統(tǒng)的情況下，可直接減少逆變環(huán)節(jié)，進(jìn)而可以避免逆變調(diào)節(jié)造成的電能損耗。

1.2.3 降低輸電系統(tǒng)造價(jià)

相較于交流輸電系統(tǒng)，直流輸電系統(tǒng)采用兩線制即可完成電力傳輸，且直流輸電線不會(huì)產(chǎn)生集膚效應(yīng)，線徑利用率顯著增高，可有效降低線路造價(jià)，且可較為簡(jiǎn)單地通過(guò)線徑的方式，提高系統(tǒng)輸送容量。

1.2.4 利于非同期并網(wǎng)

采用直流輸電系統(tǒng)時(shí)，系統(tǒng)輸電距離、輸電容量不受同步穩(wěn)定性影響，且均能達(dá)到非同期并網(wǎng)效果，因此在系統(tǒng)建造時(shí)，無(wú)需考慮同期問(wèn)題，對(duì)系統(tǒng)要求較低。

1.2.5 可應(yīng)用于無(wú)源電網(wǎng)

直流輸電線路在向無(wú)源電網(wǎng)輸電時(shí)，無(wú)需設(shè)置濾波器，即可穩(wěn)定供電，且多個(gè)換流站之間，無(wú)需通信，即可直接執(zhí)行換流操作，可簡(jiǎn)化多端直流系統(tǒng)建構(gòu)；此外，柔性直流輸電系統(tǒng)還可有效克服分布式電源孤島效應(yīng)，為分布式電源入網(wǎng)提供便利。

2 光伏直流發(fā)電系統(tǒng)原理

近年來(lái)，石油、煤炭等礦產(chǎn)能源的使用，造成了嚴(yán)重的溫室效應(yīng)。隨著世界各國(guó)不斷制定并實(shí)施碳排放總量控制計(jì)劃，找到一種可靠的可再生資源，減少石油、煤炭等礦產(chǎn)能源的利用，以減少碳排放，成為世界各國(guó)面臨的問(wèn)題。太陽(yáng)能是一種隨處可見(jiàn)的可再生綠色能源，利用半導(dǎo)體光伏效應(yīng)，可將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為電能，光伏發(fā)電已經(jīng)成為當(dāng)前應(yīng)用最廣泛的新能源技術(shù)之一。直流輸電問(wèn)題始終困擾著光伏發(fā)電系統(tǒng)的應(yīng)用，成為光伏發(fā)電系統(tǒng)的應(yīng)用亟待解決的重點(diǎn)問(wèn)題[6]。

光伏發(fā)電技術(shù)本質(zhì)上就是利用某些特殊半導(dǎo)體材料的光伏效應(yīng)，將光能轉(zhuǎn)化為電能的一種技術(shù)，核心元件是太陽(yáng)能電池。太陽(yáng)能電池經(jīng)串聯(lián)封裝，組成太陽(yáng)能電池組件，是光伏電站的核心部件[7]。光伏發(fā)電技術(shù)的優(yōu)勢(shì)主要體現(xiàn)在3個(gè)方面：①基本不受地域限制，只要有陽(yáng)光就可發(fā)電；②電能清潔可持續(xù)，無(wú)需消耗石油、煤炭等能源，同時(shí)發(fā)電過(guò)程中不會(huì)產(chǎn)生污染；③電站建設(shè)完成，電路架設(shè)完畢即可就地供電。

為保證發(fā)電量和發(fā)電穩(wěn)定性，一般將太陽(yáng)電池組件通過(guò)一定的布局形成太陽(yáng)能電池方陣，將方陣中的太陽(yáng)能電池組件合理連接，然后接入逆變器，即可形成較為穩(wěn)定的直流發(fā)電單元。大型光伏并網(wǎng)電站一般包含多個(gè)發(fā)電單元構(gòu)成，單元發(fā)電功率一般為1 MWp。直流發(fā)電系統(tǒng)是指由太陽(yáng)能電池方陣、匯流箱、配電箱和逆變器構(gòu)成的電氣系統(tǒng)，系統(tǒng)原理框圖如圖1所示。

圖1 1 MWp光伏發(fā)電分系統(tǒng)原理框圖

3 直流發(fā)電系統(tǒng)保護(hù)配置要點(diǎn)

現(xiàn)有某公司光伏電站，每1 MWp發(fā)電單元，由180個(gè)太陽(yáng)能電池組件；每個(gè)太陽(yáng)能電池組件，由22塊多晶硅太陽(yáng)能電池板串聯(lián)封裝而成；每個(gè)匯流箱，接入16組發(fā)電單元；直流發(fā)電系統(tǒng)保護(hù)配置要點(diǎn)如下。

為防止電路短路燒壞電氣設(shè)備或造成火災(zāi)，每路輸入回路，均配置高壓直流熔絲保護(hù)裝置In=15.0 A，Ue=1 000.0 V；每路直流輸出母線端，均配置直流斷路器保護(hù)裝置In=200.0 A，Ue=1 000.0 V；為防止雷擊造成電路電氣設(shè)備損壞，配置了直流防雷配電箱，每個(gè)配電箱配置8個(gè)標(biāo)準(zhǔn)輸入端口，每個(gè)輸入端口接入一路匯流箱，每路輸入母線，均配置200 A的光伏專(zhuān)用直流斷路器In=200.0 A，Ue=1 000.0 V；直流發(fā)電系統(tǒng)保護(hù)配置設(shè)備參數(shù)如表1所示，匯流箱電氣原理框圖如圖2所示。

圖2 匯流箱電氣原理框圖

表1 直流發(fā)電系統(tǒng)保護(hù)配置

表1（續(xù)）

4 直流側(cè)短路時(shí)保護(hù)動(dòng)作

根據(jù)晶體二極管的指數(shù)模型，太陽(yáng)能電池具有整流效應(yīng)，輸出的電流值為各頻譜電流的疊加等于短路電流?；诖?，可對(duì)各級(jí)直流發(fā)電系統(tǒng)設(shè)備保護(hù)動(dòng)作進(jìn)行分析。

4.1 太陽(yáng)能電池組串單極接地

因?yàn)橹绷靼l(fā)電系統(tǒng)是不接地系統(tǒng)，在太陽(yáng)能電池串組單極接地的狀態(tài)下，如圖2中K3，接地點(diǎn)無(wú)電流，匯流箱內(nèi)保險(xiǎn)，以及匯流箱和配電柜內(nèi)被直流斷路器均無(wú)保護(hù)動(dòng)作，逆變器報(bào)絕緣故障停機(jī)。

4.2 太陽(yáng)能電池組串正負(fù)極短路

電池組串正負(fù)極短路是各種原因?qū)е碌木€纜絕緣保護(hù)層破損造成的。在短路狀態(tài)下，線纜接觸部位存在2路短路電流，一路由太陽(yáng)能電池組串發(fā)出，電流大小約為8.88 A；另一路則是由剩余15個(gè)太陽(yáng)能電池組串提供，電流大小約為15×8.88=133.2 A。因?yàn)閰R流箱中配置的熔絲的熔斷電流為15 A，而流經(jīng)的電流值卻高達(dá)133 A，導(dǎo)致熔絲熔斷。這一過(guò)程中，因?yàn)殡娏髦挡怀^(guò)直流斷路器200 A的熔斷值，因此直流斷路器不會(huì)產(chǎn)生保護(hù)動(dòng)作。而接地組串的短路電流，會(huì)一直處于流通狀態(tài)，產(chǎn)生電弧，燒壞其他組串，進(jìn)一步引發(fā)其他組串短路，組串熔絲則因?yàn)槎搪穼?dǎo)致的電流過(guò)大熔斷，直流斷路器不產(chǎn)生保護(hù)動(dòng)作。由于組串在光照作用下，持續(xù)產(chǎn)生電流，則短路點(diǎn)的短路電流存在，直至組串電纜絕緣保護(hù)層全部燃燒并燒壞，組串電纜懸空，短路點(diǎn)消失，或者是運(yùn)營(yíng)人員及時(shí)發(fā)現(xiàn)短路點(diǎn)，并將短路點(diǎn)電纜分離處理[8]。

4.3 匯流箱出線電纜短路

匯流箱出線電纜短路，一般是因?yàn)槌鼍€處理不善或者自然落石等原因引起的出線電纜連接造成的，如圖1中K1，出線電纜短路點(diǎn)也承受2路短路電流，由短路點(diǎn)匯流箱和配電柜其他5路匯流箱的提供，電流分別為142 A、710 A。由于在匯流箱中配置的直流斷路器的速斷電流為5In，即1 000 A，因此在這一短路狀態(tài)下，斷路器不會(huì)發(fā)生短路保動(dòng)作，且由于各個(gè)電池串列的光照條件不同等原因，導(dǎo)致組串的電壓存在差異，組串很可能出現(xiàn)環(huán)流現(xiàn)象，或者是因?yàn)槟承┙M串電壓過(guò)低出現(xiàn)電流倒灌現(xiàn)象，將熔絲熔斷；在配點(diǎn)柜中配置的全選擇性斷路器，速斷動(dòng)作值10In，即2 000 A，斷路器延時(shí)動(dòng)作。

5 直流發(fā)電系統(tǒng)保護(hù)配置改進(jìn)措施

由以上分析可知，在直流側(cè)發(fā)生短路的狀態(tài)下，布置于匯流箱中的斷路器，難以在短路狀態(tài)下及時(shí)發(fā)生短路保護(hù)動(dòng)作，為確保保護(hù)裝置能夠在短路問(wèn)題發(fā)生時(shí)，及時(shí)發(fā)出保護(hù)動(dòng)作，給出以下幾點(diǎn)優(yōu)化措施：①在設(shè)計(jì)階段，為從根源上避免組串的正負(fù)極短路問(wèn)題，應(yīng)將正負(fù)極出線分開(kāi)布置。②金屬槽盒安裝階段，應(yīng)提前檢查金屬槽盒完整性和外形，防止破損槽盒刮壞電纜絕緣保護(hù)層；槽盒安裝完畢，應(yīng)檢查槽盒安裝封閉性，避免后期進(jìn)入老鼠，咬壞線纜[9]。③布線階段，應(yīng)提前檢查線纜絕緣保護(hù)層完整性，嚴(yán)禁布設(shè)絕緣保護(hù)層破損的線纜。④在匯流箱中，加設(shè)防反二極管，避免在某一組串正負(fù)極短路時(shí)，其他組串向短路點(diǎn)提供短路電流；加設(shè)電子絕緣監(jiān)察裝置，在某組串正負(fù)極短路或者是匯流箱出線短路時(shí)，向運(yùn)維人員發(fā)出警報(bào)信號(hào)；或者是該用全選擇性斷路器。⑤在電站運(yùn)行期間，提高設(shè)備檢查力度和頻率，定時(shí)排查各設(shè)備、設(shè)施、電纜是否存在安全隱患。

6 結(jié)論

光伏發(fā)電技術(shù)，對(duì)中國(guó)未來(lái)的可持續(xù)發(fā)展具有重要意義，本文以某公司光伏電站為例，探討了光伏電站直流發(fā)電系統(tǒng)保護(hù)配置，結(jié)論如下：①在設(shè)計(jì)階段，應(yīng)做好各出入線的正負(fù)極布置設(shè)計(jì)，應(yīng)盡量將正負(fù)極出入線分開(kāi)設(shè)置；②在槽盒安裝和布線階段，應(yīng)做好槽盒和線纜的檢查和安裝，避免槽盒破損刮壞線纜，避免布設(shè)絕緣層破損的電纜；③在匯流箱中，應(yīng)加設(shè)防反二極管和電子絕緣監(jiān)察裝置，減少短路點(diǎn)電流，并在短路發(fā)生時(shí)及時(shí)報(bào)警；④做好后期運(yùn)營(yíng)管理，加大檢查力度和頻率，減少安全隱患。