光伏并網發電系統直流側短路分析

武漢經開新能源有限公司 ■ 陳志強王志剛 唐明濤

?

光伏并網發電系統直流側短路分析

武漢經開新能源有限公司 ■ 陳志強*王志剛 唐明濤

摘 要：隨著光伏發電系統的普及和運用，越來越多的光伏電站建成發電，但與此同時，光伏電站的安全風險也日益突出。光伏直流側系統電壓高，一旦出現短路故障，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。本文從光伏發電系統直流側設計方案出發，通過理論計算，發現匯流箱、直流配電柜采用的斷路器達不到發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；光伏發電系統；直流側

0 引言

光伏并網發電系統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，并與公用電網有電氣連接的發電系統。整個系統由光伏組件、匯流箱、直流配電柜、逆變器、變壓器、并網電氣柜等一次設備和繼電保護、站內監控、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場圖片。

圖1　被燒毀的廠房屋面

圖2　燒斷的電纜

根據國家能源局最新年度電力并網數據顯示， 2014年全國累計并網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。

光伏系統直流側設備出現起火的因素很多，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，也會出現局部過熱現象，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發電系統直流側出現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

光伏發電站根據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。在光伏并網發電系統設計中，經常采用1 MWp為一個光伏發電子單元來進行模塊化設計。結合逆變器電氣運行參數和光伏組件的電氣參數、溫度系數等因素，首先計算出多少塊光伏組件串聯在一起形成具有一定直流電輸出的電路單元；其次根據逆變器直流側輸入路數、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是光伏并網發電系統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　系統各部分電氣參數

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。系統各部分電氣參數見表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為等效并聯電阻。

根據肖克萊方程：

式中，q為單位電荷量；v為偏電壓；k為普朗克常數；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的光子數為定值。這意味著在標準狀態下，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為匯流箱并聯路數。

Ik′′=9×8.69=78.21 A

Ik′

從上述分析可知，對于光伏組串接入匯流箱這一段，線路上任何一點發生短路故障，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點發生短路，短路電流計算分兩種情況：

1)匯流箱內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其他匯流箱短路電流之和，即：

式中，n為直流柜并聯路數。

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生電網能量倒灌，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保持接通狀態，其余各分支并聯電路均會通過短路故障點持續大電流放電，就極易產生電弧起火。

3 解決方案探討

光伏系統直流側在實際運行中，其工作電流和短路電流值接近，二者還會根據光照條件和環境溫度發生變化，斷路器的保護定值難以確定，基于傳統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，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。根據現場試

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

直流柜內斷路器通過的短路電流為86.9 A，小于直流柜內斷路器動作電流125 A，直流柜內斷路器不動作。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。

該技術的優勢在于檢測技術成熟，通過微處理器對數據進行處理，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境下組成的光伏系統，具有很強的通用性。同時還能監測電壓、電流、發電量、溫度、斷路器狀態和防雷器狀態，以及實現遠程分閘，增加系統的遠程監測和控制能力。

4 結束語

1) 光伏電站使用的傳統產品防雷匯流箱、直流配電柜實現不了直流短路保護的功能，一旦直流電纜出現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，防止出現連續直流放電拉弧起火。

3) 有關文獻提出對于光伏電站采用基于感溫電纜的監控系統來實現火災預警的方法，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