新能源電站安全探析

文/王 博

1 背景

伴隨碳達峰、碳中和成為2021 年中國經(jīng)濟工作中的一項重要任務(wù)，光伏將承擔(dān)主力軍的角色，同時也將進入一個蓬勃發(fā)展的新時代。可以預(yù)見，不管是地面電站，還是分布式電站，光伏的裝機量都將進入大規(guī)模增長的階段，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，也是取得投資回報的根基所在。不管在地面、山地、屋頂?shù)裙夥娬緢鼍?，安全幾乎是一票否決的原則問題。

2 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，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，山西運城稷山縣太陽能光伏發(fā)電項目所在的山坡上發(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，起火點是大樓屋頂?shù)墓夥M件，現(xiàn)場濃煙四起，光伏組件被燒毀。

隨著光伏裝機容量的逐年攀升，逆變器、匯流箱、大電流組件以及應(yīng)用場景越來越復(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，進一步帶來火災(zāi)隱患

（1）為進一步降低光伏電站LCOE，光伏組件呈現(xiàn)大功率、大電流趨勢。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。我們看到，組件電流越來越大，逆變器功率或匯流箱對應(yīng)的組串?dāng)?shù)量也不斷增加。

隨著光伏直流側(cè)系統(tǒng)功率和電流增大，于之而來的故障起火風(fēng)險也越來越大。當(dāng)發(fā)生故障時，在故障點產(chǎn)生的短路電流也相應(yīng)地增大，根據(jù)焦耳定律Q=I2Rt 可知，電流增大一倍，短路點熱效應(yīng)增加4 倍，起火的風(fēng)險也極大地增加。未來光伏直流側(cè)功率將進一步增大，傳統(tǒng)方案的保護功能卻沒有得到任何的改進與升級，完全沒有跟上系統(tǒng)功率演進的節(jié)奏，這個問題的解決已經(jīng)到了刻不容緩的時候了。

（2）光伏電站的應(yīng)用場景越發(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)等多個復(fù)雜場景。當(dāng)光伏+越來越豐富的時候，火災(zāi)就成了最大的安全隱患。光伏電站一旦發(fā)生火災(zāi)事故，不僅會損失電站成本、發(fā)電收益，嚴重時還會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，因此電站對防火的要求必然更高；農(nóng)光電站、屋頂光伏等場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)，將對人身財產(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)量越來越多是大勢所趨。同時隨著逆變器功率密度的增加，電流反灌時的能量也愈發(fā)增大，進而導(dǎo)致組件-線纜-逆變器整個電站系統(tǒng)的安全風(fēng)險增加。因此倒逼系統(tǒng)需要與時俱進，做出新的創(chuàng)新，來迎合這個趨勢，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行匯集，采用支路熔絲和匯流斷路器進行保護，因光伏組件短路電流僅為額定電流的1.1 倍，無法達到熔絲和斷路器的保護電流，以致現(xiàn)有的直流保護器件均無法動作。具體原理如下。

如下圖的A 點發(fā)生短路故障，紅色故障回路：QF1 為匯流箱斷路器，額定電流500 A，由于組件的短路電流在480 A 左右，QF1 一直不會脫扣，持續(xù)輸出直流能量到故障點，維持電弧燃燒，擴大火災(zāi)事故。

集中式由于直流回路長，匯流路數(shù)多，級聯(lián)路數(shù)多，除了上述短路故障點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)險相較組串式將更大。

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，如內(nèi)部IGBT 故障造成直流母線短路，逆變器因無法分斷直流輸入能量，大量的能量在故障點積累可能導(dǎo)致進一步的問題，嚴重一點的將發(fā)生炸機、起火等事故。

逆變器炸機、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?，擴大故障。這樣的案例也不少見。

3 行業(yè)呼吁最優(yōu)解決方案，魚與熊掌兼而有之

在戶用場景，部分國家、區(qū)域已經(jīng)出臺相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，包括國內(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，在每個組件后面加優(yōu)化器，可以實現(xiàn)組件級關(guān)斷，在后級出現(xiàn)短路等故障時，優(yōu)化器可以分斷組件的能量，繼而避免進一步的故障擴大。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；如何既解決安全問題，又不提高光伏發(fā)電的LCOE（度電成本）？筆者呼吁行業(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。