集中式與組串式光伏電站的對比分析

韋文君

（四川晶源電力開發(fā)有限公司，四川成都，610041）

集中式與組串式光伏電站的對比分析

韋文君

（四川晶源電力開發(fā)有限公司，四川成都，610041）

太陽能光伏發(fā)電的特點是資源豐富、清潔、不受資源分布地域限制等，所以光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)在我國迅猛發(fā)展，現(xiàn)有多種光伏電站形式。本文從結(jié)構(gòu)與安全風(fēng)險兩方面，對比分析了組串式與集中式兩種應(yīng)用廣泛的電站解決方案；通過理論與實際案例結(jié)合，闡述了它們的特點，提出了光伏電站形式的選擇依據(jù)，進一步指導(dǎo)光伏工程實踐。

集中式；組串式；光伏電站；對比

引言

近年來，我國太陽能產(chǎn)業(yè)發(fā)展很快，國內(nèi)光伏累計裝機容量已超過28GW，且增長速度每年大于10GW。在光伏電站運行中，行業(yè)內(nèi)探討組串式與集中式逆變器的故障率、可靠性、安全隱患等意見不一致。

本文從組串式與集中式逆變器的結(jié)構(gòu)、安全風(fēng)險等方面對比分析兩者的差異，進一步指導(dǎo)工程實踐。

1 組串式和集中式電站結(jié)構(gòu)對比

集中式光伏電站的結(jié)構(gòu)主要包含組件、直流匯流箱、直流配電柜、逆變器及其配套的逆變器房或集裝箱體、箱式升壓變等［1］。

對比集中式方案，組串式方案降低了直流設(shè)備和逆變房等配套設(shè)施，增加了交流匯流箱，縮短了高壓直流的傳輸距離，國內(nèi)常用的組串式方案更使用了無熔斷器設(shè)計，自然散熱的低成本方案［2］，如圖1所示。

圖1　集中式方案與組串式方案結(jié)構(gòu)對比

2 組串式和集中式光伏發(fā)電安全風(fēng)險對比

本文中分析的安全風(fēng)險，是指光伏電站中可能引發(fā)火災(zāi)或?qū)θ松戆踩a(chǎn)生威脅的風(fēng)險點。根據(jù)前述中關(guān)于組串式與集中式的對比，最大差異就是交流和直流電纜距離的不同，而交流輸電與直流輸電在安全性有顯著的差異［3］。

直流供電通常用于安全電壓48V以下的自動控制裝置與備用發(fā)電裝置，或是特高壓長距離直流輸電（±400kV以上）工程中。1000V直流輸電是隨著太陽能的發(fā)展而興起的，其配套的相關(guān)電氣設(shè)備還不完善，特別是有部分廠家將交流斷路器當(dāng)作直流斷路器使用的情形［4］。

在開關(guān)電器中，發(fā)生故障時是否可以正確滅弧是衡量開關(guān)元器件最重要的一項技術(shù)指標(biāo)。由于交流系統(tǒng)存在過零點，開關(guān)元件在斷開故障電流時，能夠利用過電壓過零點進行滅弧，而且因為電弧的產(chǎn)生電壓要比保持電壓高得多，交流電弧在過零點處熄滅后不容易再次出現(xiàn)。而直流沒有過零點，電壓總是存在的，電弧保持燃燒，必須拉開足夠的弧長距離才能夠可靠熄滅。接線不良、電纜絕緣破損等也會引起拉弧，具有較高熱能的電弧的出現(xiàn)使得電站存在火災(zāi)的隱患，也是光伏電站發(fā)生火災(zāi)的最主要因素［5］。

從總體上看，交流系統(tǒng)部分基本是穩(wěn)定可靠的，電站的安全性風(fēng)險主要來自直流部分。必須采取嚴謹?shù)脑O(shè)計、減少直流系統(tǒng)長度，同時進行精心的電氣設(shè)備選型，以保障電站安全。

2.1組串式逆變器到交流匯流箱與集中式直流匯流箱到配電柜安全對比

在集中式方案中，直流匯流箱到直流配電柜這段電纜，電壓高達500～800Vdc，按照16進1出的直流匯流箱進行計算，電流大約在130A左右，長度一般超過100米，在山地光伏電站或建筑光伏系統(tǒng)中，由于地形及建筑物的因素，長度可能會超過300米。這段電纜是集中式方案較易發(fā)生著火事故的一段電纜，且由于能量大，影響范圍及后果嚴重。

組串式方案逆變器至匯流箱的電能傳輸為交流輸電，交流電壓變?yōu)?80V或480V，電流一般控制在50A以內(nèi)，大大降低了發(fā)生火災(zāi)的可能性。

案例1：2014年7月，某屋頂光伏電站發(fā)生著火，如圖2所示。彩鋼瓦屋頂被燒穿了幾個大洞，廠房內(nèi)設(shè)備燒毀若干，損失慘重。最終分析原因為：由于施工或其他原因?qū)е履硡R流箱線纜對地絕緣降低，在環(huán)流、漏電流的影響下逐步嚴重，最后導(dǎo)致絕緣效果消失，線槽中的正負極電纜伴有短路、拉弧，導(dǎo)致了著火事故的發(fā)生，如圖2所示。

圖2　屋頂光伏電站著火

案例2：2014年5月，某山地光伏電站發(fā)生著火，當(dāng)?shù)亓謽I(yè)部門立即責(zé)令停止并網(wǎng)發(fā)電，進行全面風(fēng)險評估，持續(xù)時間三個月，造成了數(shù)百萬的損失。最終分析原因為：由于某匯流箱電纜在施工時被拖拽磨損，在運行一段時間后絕緣失效，正負極電纜出現(xiàn)短路、拉弧，導(dǎo)致了著火事故的發(fā)生，如圖3所示。

圖3　山地光伏裝置著火

2.2組串式與集中式方案中組件匯流線纜的安全對比

光伏電站的能量來源為太陽能光伏組件，組件電流輸出使用小截面直流線纜對于組串式和集中式來說都必不可少。對組串式方案來說，一般采取2～3串組件并聯(lián)；而對于集中式方案來說，一般采取16路并聯(lián)后，再經(jīng)直流匯流箱8路并聯(lián)，最終并聯(lián)的組件數(shù)可能達到100串組件［6］。那么兩者的安全性方面的對比如圖4和圖5所示。

圖4　串并聯(lián)-組串式解決方案

圖5　組串式與集中式方案直流線纜的故障

2.3集中式方案中直流熔斷器的安全風(fēng)險分析

2.3.1熔斷器增加了直流節(jié)點，埋下安全隱患

集中式1MW需要使用熔斷器400個，每個熔斷器與熔斷器盒夾片之間采用壓接的方式。由于熔斷器盒對線纜可靠安裝要求高，現(xiàn)場實際不容易做到，可能出現(xiàn)接觸不良的現(xiàn)象，是匯流箱著火的主要原因［7］，如圖6～圖8所示。

圖6　直流匯流箱著火

圖7　熔斷器接線不良引發(fā)的燒毀著火

圖8　熔斷器與底座接觸不良引發(fā)的燒毀著火

而主流組串式方案一般采用無熔斷器設(shè)計，外部連接一般采用專用光伏連接器，可靠性相對較高，可以有效規(guī)避因施工人員能力不同引發(fā)的安裝隱患［8］。

小結(jié)：集中式直流節(jié)點多，容易因接觸不良引發(fā)著火事故，組串式直流節(jié)點數(shù)只有集中式的1/4，且使用專用光伏連接器，安全可靠。

2.3.2熔斷器并不能有效地保護組件

從熔斷器標(biāo)準IEC 60269-6（圖9）中可以看出：15A的熔斷器，標(biāo)準要求在16.95A下，1小時不能熔斷；在21.75A下，1小時內(nèi)熔斷。冬天受低溫影響，需要熔斷的電流更大，時間更長。

圖9　標(biāo)準IEC 60269-6 對熔斷器的要求

從組件標(biāo)準IEC 61730-2（圖10）中可以看出：反向電流15A的組件，標(biāo)準要求在20.25A下，2小時不能起火。標(biāo)準只是要求組件不起火，卻不能保證組件不損壞，實際上組件一直在承受反向電流而發(fā)生熱斑效應(yīng)，性能會下降，輸出功率會降低。

圖10　標(biāo)準IEC 61730-2 對組件的要求

熔斷器的標(biāo)準要求是1.45倍的電流，而組件的標(biāo)準要求是1.35倍的電流，那么在1.35至1.45倍額定電流之間就出現(xiàn)了一個保護空擋。在這個保護空擋內(nèi)，熔斷器不能夠有效地保護組件，可能造成光伏組件本體損壞。

圖11　光伏熔斷器熔體結(jié)構(gòu)

從光伏熔斷器熔體結(jié)構(gòu)（圖11）上看：熔斷器狹徑非常細，這對制造工藝、材料選擇等方面要求較高，生產(chǎn)廠家的信譽是保證熔斷器質(zhì)量的根本。由于生產(chǎn)工藝可能造成生產(chǎn)的熔斷器額定電流出現(xiàn)一定的偏差，若不能在規(guī)定的電流和時間兩個條件下及時熔斷，還會加劇電池板的損壞，帶來火災(zāi)風(fēng)險。所以，從電站安全的角度出發(fā)，為了保護組件，不僅需要增加熔斷器，還需要使用帶防反二極管的直流匯流箱。

2.3.3熔斷器引發(fā)火災(zāi)隱患

熔斷器在過載電流情況下，如果熔斷慢、發(fā)熱高，火災(zāi)風(fēng)險大。其保護原理是利用金屬的熱熔特性，熱熔特性指熔斷時間與過電流大小呈反比關(guān)系：即電流大，熔斷速度快；電流小，熔斷速度慢，如圖12所示。

圖12　熔斷器的熔斷時間和電流特性曲線

光伏熔斷器的熔體主要使用銀。銀的熔點高達961℃，為了保護設(shè)備，在銀上增加了一個焊錫點，該焊錫的熔點一般在260℃以上，這就保證在260℃可熔斷，如圖13所示。

圖13　熔斷器發(fā)熱使熔斷器盒燒毀

另外，部分熔斷器在熔斷時會出現(xiàn)噴弧現(xiàn)象，電弧溫度非常高，會使相鄰的塑料元件、線纜絕緣等著火，如圖14所示。

圖14　熔斷器熔斷時噴弧燒毀相鄰元件

小結(jié)：集中式方案因使用熔斷器增加了直流節(jié)點，現(xiàn)場可能發(fā)生接線不良而引發(fā)燒毀事故；集中式方案使用熔斷器保護組件，但因熔斷器和組件之間存在匹配空擋，并不能有效地保護組件；而且在過載電流情況下，熔斷器還會因熔斷慢，發(fā)熱高，容易引發(fā)著火風(fēng)險，成為光伏電站安全的重大隱患。國內(nèi)部分組串式廠家因為采用超過兩路組串并聯(lián)設(shè)計，必須外置熔絲保護，因此也存在著熔斷器的安全和維護問題。而主流組串式方案，采用無熔絲的設(shè)計方案，不僅從源頭解決了組件和線纜的保護問題，而且徹底杜絕了熔斷器安全隱患。

2.4集中式交流斷路器代替直流斷路器使用風(fēng)險分析

因為高壓直流滅弧難的問題，在1000Vdc直流斷路器設(shè)計和生產(chǎn)上，由于成本高，只有少數(shù)廠家能夠生產(chǎn)，使得直流斷路器價格也高出交流斷路器近2倍。近幾年，光伏行業(yè)進入了“價格戰(zhàn)”階段，部分廠家為了降低成本，直接將交流斷路器代替直流斷路器使用，但未對滅弧系統(tǒng)進行有效控制。當(dāng)出現(xiàn)故障時，交流斷路器無法將高壓直流電弧熄滅，這就存在安全風(fēng)險，極易引發(fā)著火事故，如圖15所示。

圖15　在直流故障時交流斷路器的滅弧室被燒穿

小結(jié)：集中式方案中，若如果使用交流斷路器代替直流斷路器，則存在著火隱患。而組串式中，變直流輸電為交流輸電，本身設(shè)計選用的就是成熟可靠的交流斷路器，風(fēng)險較小。

2.5組串式與集中式防護安全對比

當(dāng)前主流組串式方案采用自然散熱，IP65的防護等級。設(shè)計上保證防沙塵、抗鹽霧，且全密閉，可保障逆變器安全運行25年。

集中式方案采用風(fēng)扇散熱，IP20設(shè)計，防護等級低，無法隔離沙塵和鹽霧。因此，集中式電站在運行一段時間后，由于環(huán)境原因會使其逆變房、逆變器和直流匯流箱內(nèi)都積滿了沙塵，需要定期對防塵棉、通風(fēng)系統(tǒng)進行維護。積塵會堵塞防塵網(wǎng)、降低通風(fēng)系統(tǒng)的效率，使設(shè)備散熱性能變差，大功耗器件溫度急劇上升，嚴重時將引發(fā)著火事故。在沙塵中經(jīng)常會含有部分金屬顆粒，落在電路板上，會降低電路板上設(shè)定的安全規(guī)定的間距，可能會發(fā)生放電打火現(xiàn)象。另一因素是：當(dāng)濕度增加時，其中的酸根和金屬離子活性增強，呈現(xiàn)一定酸性或堿性，這會對PCB板上銅、錫、器件等金屬端點造成腐蝕，引起設(shè)備工作異常的風(fēng)險增加。在沿海等高鹽霧地區(qū)，腐蝕引發(fā)設(shè)備異常現(xiàn)象更加顯著，如圖16～圖18所示。

圖16　集中式逆變房內(nèi)積塵

圖17　集中式逆變器內(nèi)部積塵

圖18　集中式直流匯流箱銹蝕、積塵

小結(jié)：集中式逆變器IP20防護等級，不可避免受到沙塵影響，會引起開關(guān)接觸不良，風(fēng)扇失效散熱變差，電路板打火等現(xiàn)象，存在著火風(fēng)險。而組串式逆變器IP65防護等級，完全隔離沙塵，可靠性及安全性較高。

2.6組串式逆變器和集中式逆變器防PID安全對比

我國東部地區(qū)，人口密度高，土地資源稀缺，無法和西部地區(qū)一樣發(fā)展大型地面光伏電站，結(jié)合東部地區(qū)魚塘，灘涂多的特點。出現(xiàn)很多漁光互補或灘涂光伏電站，此類電站環(huán)境濕度大，電池組件更容易出現(xiàn)PID衰減，為此，必須增加防PID措施。

集中式逆變器為防止PID問題，一般采取負極接地的方案，這樣在電池組件正極與接地系統(tǒng)之間會形成高壓。通常熔斷器選型在5A以上，人若不小心觸碰到電池組件正極，可能造成人身傷亡事故。同時若組件正極或電纜產(chǎn)生接地故障，會通過接地線產(chǎn)生故障電流或產(chǎn)生電弧放電，引發(fā)著火事故。

組串式逆變器為防止PID問題，通過在系統(tǒng)中設(shè)置虛擬正壓電路，實現(xiàn)所有電池板負極對地正電壓，安全規(guī)避PID效應(yīng)。由于電池板負極無需接地，加上逆變器內(nèi)部的殘余電流監(jiān)測電路，能夠在檢測到漏電流大于30mA的情況下，迅速切斷電路，實現(xiàn)了保護人身安全，如圖19所示。

圖19　PID效應(yīng)規(guī)避

小結(jié)：集中式采用負極接地防止PID，存在人身安全和著火兩大隱患。組串式采用虛擬正壓防止PID，無需負極接地，不存在人身安全和著火隱患。

3 總結(jié)

綜上所述，集中式解決方案存在風(fēng)險，特別是在斷路器、直流輸電、熔斷器、防護等級、防PID效應(yīng)等方面。而組串式方案變直流輸電為交流輸電，采用無熔斷器、自然散熱、IP65防護等級、虛擬正壓防止PID等，從根本上解決了集中式解決方案中潛伏的著火隱患。

光伏電站安全問題已上升為中國能源發(fā)展中必須關(guān)注的問題。在2015年8月舉行的在大型光伏電站高效可靠運營與發(fā)電增效研討會上，國家發(fā)改委能源研究所研究員王斯成就表示：“在走訪西部大量電站后發(fā)現(xiàn)，多數(shù)電站在運營一段時間后出現(xiàn)了大量的安全問題，而電站質(zhì)量直接影響到電站的收益，這也是為什么目前銀行對投資電站有顧慮的主要原因之一。”

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韋文君（1972-），男，漢族，安徽太湖人，四川晶源電力開發(fā)有限公司高級工程師。研究方向：光伏、風(fēng)力發(fā)電技術(shù)。

E-mail: 373577632@qq.com

Analysis Centralized with Set of String Type Photovoltaic Power Station

WenJun Wei（Sichuan Jing Source Electric Power Development Co.， Ltd.， Chengdu， Sichuan， 610041， China）

In today's society traditional energy sources dried up， human ecological environment worsening，solar photovoltaic power generation with rich resources， clean， do not accept the restriction of resource distribution of regional advantages， such as in the spotlight. In recent years， rapid development of photovoltaic industry in our country. More and more building photovoltaic power station site， there are many types of photovoltaic power station， how to choose the type of photovoltaic power station， has become a power station owners priority issues. In this paper， by analyzing the contrast group tandem with centralized two kinds of solutions to a wide range of power plant application， through the theory and actual case analysis of their differences， is only for discussion.

Centralized； Set of String Type； Photovoltaic Power Station； Contrast

TK51

A

2095-8412 （2016） 04-818-06

工業(yè)技術(shù)創(chuàng)新 URL： http://www.china-iti.com 10.14103/j.issn.2095-8412.2016.04.065