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）

太陽能作為清潔、可再生能源得到世界各國的高度重視，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，發(fā)展非常迅猛。與此同時，光伏電站暴露出的各種安全問題帶給光伏行業(yè)越來越多的擔(dān)憂。對于大型并網(wǎng)型光伏電站來說，太陽能電池組件、匯流箱、直流電纜等設(shè)備數(shù)量多、分布廣、運行環(huán)境惡劣，隱患難以察覺，最容易出現(xiàn)直流側(cè)電氣短路故障，如果沒有可靠的電氣保護(hù)，一旦發(fā)生短路故障，小則造成單個設(shè)備燒毀，大則造成大面積起火。本文著重對直流側(cè)發(fā)生短路時各級保護(hù)動作情況進(jìn)行分析，并對當(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

太陽電池組件是通過光伏效應(yīng)將太陽能直接轉(zhuǎn)變?yōu)橹绷麟娔艿牟考枪夥娬镜暮诵牟考Ｌ栯姵亟M件通過合理的連接，形成電站所需的太陽電池方陣，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，每個發(fā)電單元1MWp。直流發(fā)電系統(tǒng)系指太陽電池方陣到逆變器直流側(cè)的電氣系統(tǒng)，包括太陽電池組件、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 個組串，每個組串有22 塊多晶硅電池板，每個匯流箱（圖2）同時接入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)短路時保護(hù)動作分析

根據(jù)肖克賴方程得知，太陽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。基于這一定律，分析現(xiàn)場直流側(cè)常見故障時各級保護(hù)動作情況。

圖2 匯流箱電氣原理框圖

3.1 太陽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(如圖2 中K3)，接地點無電流流過，匯流箱內(nèi)保險、直流斷路器以及配電柜直流斷路器不動作，逆變器報絕緣故障，逆變器停機(jī)。

3.2 太陽能電池組串正負(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，短路點承受2 個方面的短路電流，一個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（匯流箱沒有防反二極管）為15×8.88=133.2A，通過接地組串的熔絲為短路點注入電流。由于熔絲的熔斷電流為15A，流過電流為133A，匯流箱內(nèi)熔絲熔斷，額定值為200A 的直流斷路器不動作。同時，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，直流路器不動作。由于光照的存在，短路點一直存在，直至組串電纜因燃燒自行懸空或者運維人員處理，電弧不足以持續(xù)，短路點消失。

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)，此時短路點同樣承受2 個方面的短路電流，一個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，通過短路點支路的直流斷路器為短路點注入電流。由于匯流箱直流斷路器的速斷電流為5In 即1000A，斷路器不動作，同時，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，速斷動作值10In 即2000A，斷路器延時動作。

4 存在問題以及改進(jìn)措施

通過上述分析得知，當(dāng)直流側(cè)短路時，匯流箱的斷路器無法實現(xiàn)實現(xiàn)保護(hù)動作。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，布線過程中線纜絕緣層被電纜槽盒劃傷劃破等原因。

（2）在設(shè)計階段，要把組串出線正負(fù)極出線分開布置，避免通過金屬槽盒導(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)某一組串回路對地絕緣下降或接地時，低頻信號回路溝通，可以使信號裝置觸發(fā)匯流箱內(nèi)斷路器動作報警，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。