光伏電站直流發(fā)電系統(tǒng)保護(hù)配置分析研究

武飛

（福建省福能新能源有限責(zé)任公司，福建 莆田 351146）

太陽(yáng)能作為清潔、可再生能源得到世界各國(guó)的高度重視，光伏發(fā)電系統(tǒng)得到了大規(guī)模的推廣和應(yīng)用，光伏產(chǎn)業(yè)作為世界高度關(guān)注的新興能源產(chǎn)業(yè)，近年來(lái)，發(fā)展非常迅猛。與此同時(shí)，光伏電站暴露出的各種安全問(wèn)題帶給光伏行業(yè)越來(lái)越多的擔(dān)憂。對(duì)于大型并網(wǎng)型光伏電站來(lái)說(shuō)，太陽(yáng)能電池組件、匯流箱、直流電纜等設(shè)備數(shù)量多、分布廣、運(yùn)行環(huán)境惡劣，隱患難以察覺(jué)，最容易出現(xiàn)直流側(cè)電氣短路故障，如果沒(méi)有可靠的電氣保護(hù)，一旦發(fā)生短路故障，小則造成單個(gè)設(shè)備燒毀，大則造成大面積起火。本文著重對(duì)直流側(cè)發(fā)生短路時(shí)各級(jí)保護(hù)動(dòng)作情況進(jìn)行分析，并對(duì)當(dāng)前直流側(cè)保護(hù)配置提出改進(jìn)措施。

1 光伏直流發(fā)電系統(tǒng)原理

太陽(yáng)電池組件是通過(guò)光伏效應(yīng)將太陽(yáng)能直接轉(zhuǎn)變?yōu)橹绷麟娔艿牟考?，是光伏電站的核心部件。太?yáng)電池組件通過(guò)合理的連接，形成電站所需的太陽(yáng)電池方陣，并與逆變器構(gòu)成直流發(fā)電單元，大型光伏并網(wǎng)電站是由很多光伏發(fā)電單元系統(tǒng)疊加而成的，每個(gè)發(fā)電單元1MWp。直流發(fā)電系統(tǒng)系指太陽(yáng)電池方陣到逆變器直流側(cè)的電氣系統(tǒng)，包括太陽(yáng)電池組件、匯流箱、直流配電柜及逆變器。

圖1 1MWp 光伏發(fā)電分系統(tǒng)原理框圖

2 直流發(fā)電系統(tǒng)保護(hù)配置

以我公司光伏電站為例，每1MWp 方陣有180 個(gè)組串，每個(gè)組串有22 塊多晶硅電池板，每個(gè)匯流箱（圖2）同時(shí)接入16 路光伏組串，每路輸入回路配有高壓直流熔絲進(jìn)行保護(hù)，其耐壓值為DC1000V，額定電流為15A，直流輸出母線端配有200A 的直流斷路器。每個(gè)直流防雷配電柜有8 路匯流箱輸入端口，直流輸入母線端配有200A 的光伏專用直流斷路器。具體配置參數(shù)如表1。

表1 直流發(fā)電系統(tǒng)保護(hù)配置

3 直流側(cè)短路時(shí)保護(hù)動(dòng)作分析

根據(jù)肖克賴方程得知，太陽(yáng)能電池的光照電流即等于短路電流。光照電流等于各頻譜電流的累積，意味著某一光照條件下近似恒流源，短路電流恒定?；谶@一定律，分析現(xiàn)場(chǎng)直流側(cè)常見(jiàn)故障時(shí)各級(jí)保護(hù)動(dòng)作情況。

圖2 匯流箱電氣原理框圖

3.1 太陽(yáng)能電池組串單極接地

由于直流系統(tǒng)為不接地系統(tǒng)，當(dāng)單極接地時(shí)(如圖2 中K3)，接地點(diǎn)無(wú)電流流過(guò)，匯流箱內(nèi)保險(xiǎn)、直流斷路器以及配電柜直流斷路器不動(dòng)作，逆變器報(bào)絕緣故障，逆變器停機(jī)。

3.2 太陽(yáng)能電池組串正負(fù)極短路

由于電纜槽盒封堵不嚴(yán)線纜被老鼠咬破，布線過(guò)程中線纜絕緣層被電纜槽盒劃傷劃破等原因造成組串正負(fù)極短路( 如圖1 中K1)，此時(shí)，短路點(diǎn)承受2 個(gè)方面的短路電流，一個(gè)是組串的提供的短路電流，約為8.88A，另一為其他15 路組串提供的短路電路（匯流箱沒(méi)有防反二極管）為15×8.88=133.2A，通過(guò)接地組串的熔絲為短路點(diǎn)注入電流。由于熔絲的熔斷電流為15A，流過(guò)電流為133A，匯流箱內(nèi)熔絲熔斷，額定值為200A 的直流斷路器不動(dòng)作。同時(shí)，接地組串的短路電流繼續(xù)存在，電弧存在，布置在同一槽盒內(nèi)的其他組串燒結(jié)，相繼發(fā)生短路，組串熔絲相繼熔斷，直流路器不動(dòng)作。由于光照的存在，短路點(diǎn)一直存在，直至組串電纜因燃燒自行懸空或者運(yùn)維人員處理，電弧不足以持續(xù)，短路點(diǎn)消失。

3.3 匯流箱出線電纜短路

由于施工原因以及自然落石砸傷等原因造成匯流箱出線電纜短路(如圖1 中K2)，此時(shí)短路點(diǎn)同樣承受2 個(gè)方面的短路電流，一個(gè)是匯流箱的提供的短路電流，約為142A，另一為直流配電柜其他5 路匯流箱提供的短路電流142×5=710A，通過(guò)短路點(diǎn)支路的直流斷路器為短路點(diǎn)注入電流。由于匯流箱直流斷路器的速斷電流為5In 即1000A，斷路器不動(dòng)作，同時(shí)，由于光照條件以及安裝角度等因數(shù)導(dǎo)致各組串電壓不相等，組串存在環(huán)流或者電流倒灌現(xiàn)象，熔絲熔斷；配電柜內(nèi)直流斷路器為全選擇性斷路器，速斷動(dòng)作值10In 即2000A，斷路器延時(shí)動(dòng)作。

4 存在問(wèn)題以及改進(jìn)措施

通過(guò)上述分析得知，當(dāng)直流側(cè)短路時(shí)，匯流箱的斷路器無(wú)法實(shí)現(xiàn)實(shí)現(xiàn)保護(hù)動(dòng)作。建議如下：

（1）嚴(yán)格控制建設(shè)施工質(zhì)量，規(guī)范化及精細(xì)化施工。保證光伏電站各環(huán)節(jié)的嚴(yán)格正確且規(guī)范化施工，是光伏電站安全運(yùn)行的關(guān)鍵保障，減少纜槽盒封堵不嚴(yán)線纜被老鼠咬破，布線過(guò)程中線纜絕緣層被電纜槽盒劃傷劃破等原因。

（2）在設(shè)計(jì)階段，要把組串出線正負(fù)極出線分開(kāi)布置，避免通過(guò)金屬槽盒導(dǎo)致短路。

（3）匯流箱增加電子型直流系統(tǒng)絕緣監(jiān)察裝置，當(dāng)某一組串回路對(duì)地絕緣下降或接地時(shí)，低頻信號(hào)回路溝通，可以使信號(hào)裝置觸發(fā)匯流箱內(nèi)斷路器動(dòng)作報(bào)警，或者匯流箱內(nèi)斷路器采用全選擇性斷路器。

（4）加強(qiáng)設(shè)備巡回檢查，定期檢查槽盒封堵情況，組串出線電纜是否完好，匯流箱內(nèi)接線端子是否緊固。