探討光伏電站直流發電系統保護配置

余國忠

（深圳供電局有限公司，廣東 深圳518000）

光伏發電技術作為一種綠色、清潔的發電技術，受到世界各個國家的高度重視和發展。近年來，隨著光伏發電技術的不斷進步，世界各地建成了大量的大型并網型光伏電站，成為電力系統過程中最重要的電能供應設施之一，為電網供應了大量的清潔、可再生電能。與此同時，光伏電站由于短路、設備故障等原因，也造成了大量的安全問題，阻礙了光伏產業的發展和光伏發電技術的進一步推廣。特別是對于大型并網型光伏電站來說，由于電站的設備數量多、運行環境復雜，更容易發生各種設備故障或短路問題，輕則影響電站的正常運行，重則可能引起電站火災，造成設備損壞或電站工作人員安全隱患[1]。

基于此，本文以某公司光伏電站為例，展開對光伏電站直流發電系統保護配置研究，探討直流側保護配置的改進措施。

1 直流輸電系統主要特點在光伏發電中的應用

1.1 直流輸電系統主要特點

近年來，隨著中國學者對直流輸電系統研究的不斷深入，在高壓直流輸電研究和應用方面，取得了長足的進步，特別是在輸電系統保護、輸電損耗控制等方面。但總體而言，中國在直流輸電研究和應用，依然存在較多的問題。比如對于受端網絡輸電系統，或者其他類似的有源直流輸電系統，不僅會因為系統中的換流器，導致系統供電存在較大的諧波，在供電過程中，還容易發生換相失敗的問題，特別是當供電對象為一些短路容量較低的系統時，變相失敗的問題時有發生[2]。得益于電力電子技術的快速發展，以高功率門極可關斷晶閘管為代表的一系列全控型器件不斷突破技術瓶頸，越來越多地應用于輸電系統中，極大地解決了直流輸電系統的不足，加之電壓等級不斷增高，顯著提升了系統短路容量，為從根本上解決直流輸電系統應用瓶頸奠定了基礎。在直流輸電系統中，將傳統系統廣泛使用的半控型器件，全面替換為運用PWM與VSC等新技術制造全控型器件，并以電壓源換流器為核心，可有效克服傳統直流輸電系統的不足，形成一種先進的柔性直流輸電系統，又叫做輕型直流輸電系統，特點如下：①該系統可實現電源變換的全方位控制，降低電網受到的電源間歇性的影響；②可有效克服交流輸電的不足，對交流系統進行及時有功調節和無功補償，從而有效克服交流輸電系統的電容效應的不良影響，在保證供電的可靠性和供電質量的基礎上，有效延長供電距離[3]；③線路造價較低，首先，直流輸電線路可有效杜絕交流電路中的集膚效應，實現導線截面的最大化利用，僅需交流電路1/3的導線截面，即可達到同等供電功率，且直流輸電多使用兩線制，可有效節約電線材料成本，其次，系統的線路走廊較小，對桿塔要求較低，相較于交流系統，可有效降低建造成本；④直流輸電系統可通過對額定電流的有效控制，有效克服交流電路短路電流控制問題，短路容量不易受到直流聯網影響[4]。

1.2 直流輸電在光伏發電中的應用

現階段，雖然中國光伏產業發展迅速，在西北部的新疆、青海等地，聚集大范圍的GWp級光伏發電項目，但受晝夜交替、天氣等因素影響，光伏發電無可避免地具有間歇性的特征，且具有較為嚴重的諧波問題。通過合理運用柔性直流輸電系統，可有效克服光伏發電系統的不足，為光伏入網奠定良好基礎，具體作用如下。

1.2.1 改善光伏電源間歇性

受日夜交替、天氣、風沙、光照輻射不均等因素影響，光伏發電系統輸出功率具有明顯的間接性和不確定性，造成波形閃邊、諧波污染等問題，是限制光伏入網的主要因素，運用柔性直流輸電系統，其可以起到等效電容的作用，有效平抑輸出功率波動問題，提高輸出功率穩定性[5]。

1.2.2 減少或避免逆變環節產生的損耗

與交流輸電系統不同，采用直流輸電系統的情況下，可直接減少逆變環節，進而可以避免逆變調節造成的電能損耗。

1.2.3 降低輸電系統造價

相較于交流輸電系統，直流輸電系統采用兩線制即可完成電力傳輸，且直流輸電線不會產生集膚效應，線徑利用率顯著增高，可有效降低線路造價，且可較為簡單地通過線徑的方式，提高系統輸送容量。

1.2.4 利于非同期并網

采用直流輸電系統時，系統輸電距離、輸電容量不受同步穩定性影響，且均能達到非同期并網效果，因此在系統建造時，無需考慮同期問題，對系統要求較低。

1.2.5 可應用于無源電網

直流輸電線路在向無源電網輸電時，無需設置濾波器，即可穩定供電，且多個換流站之間，無需通信，即可直接執行換流操作，可簡化多端直流系統建構；此外，柔性直流輸電系統還可有效克服分布式電源孤島效應，為分布式電源入網提供便利。

2 光伏直流發電系統原理

近年來，石油、煤炭等礦產能源的使用，造成了嚴重的溫室效應。隨著世界各國不斷制定并實施碳排放總量控制計劃，找到一種可靠的可再生資源，減少石油、煤炭等礦產能源的利用，以減少碳排放，成為世界各國面臨的問題。太陽能是一種隨處可見的可再生綠色能源，利用半導體光伏效應，可將太陽能轉化為電能，光伏發電已經成為當前應用最廣泛的新能源技術之一。直流輸電問題始終困擾著光伏發電系統的應用，成為光伏發電系統的應用亟待解決的重點問題[6]。

光伏發電技術本質上就是利用某些特殊半導體材料的光伏效應，將光能轉化為電能的一種技術，核心元件是太陽能電池。太陽能電池經串聯封裝，組成太陽能電池組件，是光伏電站的核心部件[7]。光伏發電技術的優勢主要體現在3個方面：①基本不受地域限制，只要有陽光就可發電；②電能清潔可持續，無需消耗石油、煤炭等能源，同時發電過程中不會產生污染；③電站建設完成，電路架設完畢即可就地供電。

為保證發電量和發電穩定性，一般將太陽電池組件通過一定的布局形成太陽能電池方陣，將方陣中的太陽能電池組件合理連接，然后接入逆變器，即可形成較為穩定的直流發電單元。大型光伏并網電站一般包含多個發電單元構成，單元發電功率一般為1 MWp。直流發電系統是指由太陽能電池方陣、匯流箱、配電箱和逆變器構成的電氣系統，系統原理框圖如圖1所示。

圖1 1 MWp光伏發電分系統原理框圖

3 直流發電系統保護配置要點

現有某公司光伏電站，每1 MWp發電單元，由180個太陽能電池組件；每個太陽能電池組件，由22塊多晶硅太陽能電池板串聯封裝而成；每個匯流箱，接入16組發電單元；直流發電系統保護配置要點如下。

為防止電路短路燒壞電氣設備或造成火災，每路輸入回路，均配置高壓直流熔絲保護裝置In=15.0 A，Ue=1 000.0 V；每路直流輸出母線端，均配置直流斷路器保護裝置In=200.0 A，Ue=1 000.0 V；為防止雷擊造成電路電氣設備損壞，配置了直流防雷配電箱，每個配電箱配置8個標準輸入端口，每個輸入端口接入一路匯流箱，每路輸入母線，均配置200 A的光伏專用直流斷路器In=200.0 A，Ue=1 000.0 V；直流發電系統保護配置設備參數如表1所示，匯流箱電氣原理框圖如圖2所示。

圖2 匯流箱電氣原理框圖

表1 直流發電系統保護配置

表1（續）

4 直流側短路時保護動作

根據晶體二極管的指數模型，太陽能電池具有整流效應，輸出的電流值為各頻譜電流的疊加等于短路電流。基于此，可對各級直流發電系統設備保護動作進行分析。

4.1 太陽能電池組串單極接地

因為直流發電系統是不接地系統，在太陽能電池串組單極接地的狀態下，如圖2中K3，接地點無電流，匯流箱內保險，以及匯流箱和配電柜內被直流斷路器均無保護動作，逆變器報絕緣故障停機。

4.2 太陽能電池組串正負極短路

電池組串正負極短路是各種原因導致的線纜絕緣保護層破損造成的。在短路狀態下，線纜接觸部位存在2路短路電流，一路由太陽能電池組串發出，電流大小約為8.88 A；另一路則是由剩余15個太陽能電池組串提供，電流大小約為15×8.88=133.2 A。因為匯流箱中配置的熔絲的熔斷電流為15 A，而流經的電流值卻高達133 A，導致熔絲熔斷。這一過程中，因為電流值不超過直流斷路器200 A的熔斷值，因此直流斷路器不會產生保護動作。而接地組串的短路電流，會一直處于流通狀態，產生電弧，燒壞其他組串，進一步引發其他組串短路，組串熔絲則因為短路導致的電流過大熔斷，直流斷路器不產生保護動作。由于組串在光照作用下，持續產生電流，則短路點的短路電流存在，直至組串電纜絕緣保護層全部燃燒并燒壞，組串電纜懸空，短路點消失，或者是運營人員及時發現短路點，并將短路點電纜分離處理[8]。

4.3 匯流箱出線電纜短路

匯流箱出線電纜短路，一般是因為出線處理不善或者自然落石等原因引起的出線電纜連接造成的，如圖1中K1，出線電纜短路點也承受2路短路電流，由短路點匯流箱和配電柜其他5路匯流箱的提供，電流分別為142 A、710 A。由于在匯流箱中配置的直流斷路器的速斷電流為5In，即1 000 A，因此在這一短路狀態下，斷路器不會發生短路保動作，且由于各個電池串列的光照條件不同等原因，導致組串的電壓存在差異，組串很可能出現環流現象，或者是因為某些組串電壓過低出現電流倒灌現象，將熔絲熔斷；在配點柜中配置的全選擇性斷路器，速斷動作值10In，即2 000 A，斷路器延時動作。

5 直流發電系統保護配置改進措施

由以上分析可知，在直流側發生短路的狀態下，布置于匯流箱中的斷路器，難以在短路狀態下及時發生短路保護動作，為確保保護裝置能夠在短路問題發生時，及時發出保護動作，給出以下幾點優化措施：①在設計階段，為從根源上避免組串的正負極短路問題，應將正負極出線分開布置。②金屬槽盒安裝階段，應提前檢查金屬槽盒完整性和外形，防止破損槽盒刮壞電纜絕緣保護層；槽盒安裝完畢，應檢查槽盒安裝封閉性，避免后期進入老鼠，咬壞線纜[9]。③布線階段，應提前檢查線纜絕緣保護層完整性，嚴禁布設絕緣保護層破損的線纜。④在匯流箱中，加設防反二極管，避免在某一組串正負極短路時，其他組串向短路點提供短路電流；加設電子絕緣監察裝置，在某組串正負極短路或者是匯流箱出線短路時，向運維人員發出警報信號；或者是該用全選擇性斷路器。⑤在電站運行期間，提高設備檢查力度和頻率，定時排查各設備、設施、電纜是否存在安全隱患。

6 結論

光伏發電技術，對中國未來的可持續發展具有重要意義，本文以某公司光伏電站為例，探討了光伏電站直流發電系統保護配置，結論如下：①在設計階段，應做好各出入線的正負極布置設計，應盡量將正負極出入線分開設置；②在槽盒安裝和布線階段，應做好槽盒和線纜的檢查和安裝，避免槽盒破損刮壞線纜，避免布設絕緣層破損的電纜；③在匯流箱中，應加設防反二極管和電子絕緣監察裝置，減少短路點電流，并在短路發生時及時報警；④做好后期運營管理，加大檢查力度和頻率，減少安全隱患。