光伏并网发电系统直流侧短路分析

2015-12-25武汉经开新能源有限公司陈志强王志刚唐明涛

太阳能 2015年8期

武汉经开新能源有限公司 ■ 陈志强王志刚唐明涛

光伏并网发电系统直流侧短路分析

武汉经开新能源有限公司 ■ 陈志强*王志刚唐明涛

摘要：随着光伏发电系统的普及和运用，越来越多的光伏电站建成发电，但与此同时，光伏电站的安全风险也日益突出。光伏直流侧系统电压高，一旦出现短路故障，极易引起电弧起火。光伏直流侧设备往往安装在建筑物的屋顶，不易被察觉，一旦起火直接威胁到建筑物本身的安全。本文从光伏发电系统直流侧设计方案出发，通过理论计算，发现汇流箱、直流配电柜采用的断路器达不到发生短路故障迅速切除电源的目的，存在很大的安全隐患，并对这一问题提出了解决方案。

关键词：短路分析；光伏发电系统；直流侧

0 引言

光伏并网发电系统是利用太阳电池的光生伏特效应，将太阳辐射能直接转换成电能，并与公用电网有电气连接的发电系统。整个系统由光伏组件、汇流箱、直流配电柜、逆变器、变压器、并网电气柜等一次设备和继电保护、站内监控、调度自动化、通信等二次设备组成。从逆变器电源输入和输出来讲，逆变器直流断路器接入侧以前的部分称为直流侧，逆变器交流断路器输出侧以后的部分称为交流侧。对于交流侧而言，通过电气继电保护，对各种短路故障都能实现快速、有效的切断。对于直流侧而言，尽管在汇流箱、直流配电柜安装了断路器等电气元件，但在发生直流短路故障时断路器根本不能断开，导致因直流短路故障引起的火灾事故屡见不鲜。图1、2为光伏电站着火后现场图片。

图1　被烧毁的厂房屋面

图2　烧断的电缆

根据国家能源局最新年度电力并网数据显示， 2014年全国累计并网太阳能光伏装机量已达26.52 GW。随着分布式光伏政策的实施，将会有越来越多大小不等的光伏电站分布在各地工业与民用建筑屋顶。在屋顶安装的直流侧设备，如光伏组件、汇流箱、直流电缆及桥架等，运行工况恶劣、数量多、分布广、隐患难以察觉，如没有可靠的电气保护，一旦出现直流侧短路着火事故，将直接威胁建筑的安全，造成的后果难以想象。

光伏系统直流侧设备出现起火的因素很多，如在光伏组件封装过程中电池片焊接质量存在缺陷、背板材料失效、接线盒二极管散热空间不够等，也会出现局部过热现象，导致着火事故，这需从光伏组件封装工艺的角度加以分析解决。本文着重对光伏并网发电系统直流侧出现的短路故障进行分析，对当前直流侧电气设备设计存在的问题进行探讨，便于完善电气保护设计，预防直流短路电弧起火。

1 直流侧电气设计

光伏发电站根据安装容量可分为大型(大于30 MWp)、中型(1～30 MWp)、小型(小于1 MWp)3种系统。在光伏并网发电系统设计中，经常采用1 MWp为一个光伏发电子单元来进行模块化设计。结合逆变器电气运行参数和光伏组件的电气参数、温度系数等因素，首先计算出多少块光伏组件串联在一起形成具有一定直流电输出的电路单元；其次根据逆变器直流侧输入路数、电缆线损、布线条件等方面进行汇流箱、直流配电柜的设计。图3是光伏并网发电系统直流侧典型的设计方案，其中K-1点为光伏组串至汇流箱段线路短路点；K-2点为汇流箱至直流柜段线路短路点；K-3点为直流柜至逆变器段线路短路点。

图3中21块240 Wp多晶硅光伏组件串联在一起，形成一个光伏组串。每10个光伏组串通过4 mm2的光伏电缆并联接入10进1出的汇流箱。汇流箱设置防反二极管、熔断器、直流断路

表1　系统各部分电气参数

器及浪涌防雷保护器。5个一级汇流箱分别通过2根25 mm2的光伏电缆接入直流配电柜，进行二次汇流后接入逆变器。系统各部分电气参数见表1。

2 直流侧短路分析

2.1 太阳电池短路分析

太阳电池等效电路模型图如图4所示。

图3　直流侧电气设计原理图

图4　太阳电池等效电路模型图

通过负载的电流：

式中，IL为光生电流；ID为通过p-n结的正向电流；IP为漏电流；RP为等效并联电阻。

根据肖克莱方程：

式中，q为单位电荷量；v为偏电压；k为普朗克常数；T为p-n结绝对温度；IS为反向饱和电流。

将式(2)代入式(1)得：在短路状态下，IL=Isc，即光生电流等于短路电流。

分析光生电流，可将太阳光谱划分为许多段，每段只有很窄的波长范围。太阳电池光生电流就等于每段光谱产生电流的累积值，即：

Isc=∫0∞IL(λ)≈∫λ0.3μmIL(λ)dλ=(1–R(λ))qF(λ)η(λ)dλ (4)

式中，λ0为本征吸收波长限；R(λ)为表面反射率；F(λ)为太阳能光谱中波长为λ～(λ+dλ)；dλ为波长增加量。

对于同种类型的太阳电池，在标准太阳辐照强度下，吸收的每段波长范围内的光子数为定值。这意味着在标准状态下，太阳电池的短路电流恒定。在等效电路模型中应按照恒流源来计算各处的短路电流。

2.2 K-1点短路分析

K-1点短路等效电路图如5所示。流计算式为：

Ik′′

2)汇流箱内防反二极管被击穿的情况下，短路点承受来自其余光伏组串的短路电流。

此时短路电流计算式为：

式中，m为汇流箱并联路数。

Ik′′=9×8.69=78.21 A

Ik′

从上述分析可知，对于光伏组串接入汇流箱这一段，线路上任何一点发生短路故障，都能通过熔断器、防反二极管快速、有效地切断或阻断电路。

2.3 K-2点短路分析

K-2点短路等效电路图如图6所示。

K-1点发生短路，短路电流计算分两种情况：

1)汇流箱内防反二极管正常的情况下，短路点承受来自1路光伏组串的短路电流。其短路电

此时K-2短路点将承受来自两个方向的短路电流：短路点至直流配电柜短路电流Ik′1′；汇流箱至短路点短路电流Ik′2′ 。

1)对于Ik1′，短路电流为直流柜内其他汇流箱短路电流之和，即：

式中，n为直流柜并联路数。

Ik′1′ =4×10×8.69 A=347.6 A

I′n

图5　K-1点短路等效电路图

图6　K-2点短路等效电路图

0路器瞬时脱扣电流)。

2)对于Ik2′ ，短路电流为单个汇流箱的短路电流：

=10×8.69 A=86.9 A Ik2′

与此同时，汇流箱内熔断器通过的短路电流为单个光伏阵列的短路电流，Ik′=Isc=8.69 A。

Ik′′

通过上述分析可知，对于汇流箱至直流配电柜这一段，线路上任何一点发生短路故障，都不能通过汇流箱断路器、直流配电柜断路器快速、有效地切断电路。由于短路点直流高压的存在(约700 V)，很容易发生直流拉弧起火，从而波及周边的电缆，进而导致短路的连锁效应，火势将持续扩大，造成严重的后果。

2.4 K-3点短路分析

K-3点短路等效电路图如图7所示。路电流，极易导致严重的电气火灾，故该段线路是线路保护设计应考虑的重点。

2)对于I′k2，由于逆变器直流侧短路保护功能，逆变器内的高频电容器(IGBT高频电源)通过K-3短路点放电，放电过程会在直流输入端产生短时过电流，一旦电流值大于逆变器直流过流设定值时，逆变器电流传感器会传送过流电信号给控制器，逆变器会切断直流断路器。

同时为了防止直流侧短路发生电网能量倒灌，逆变器检测直流侧的电压，保证其始终高于交流侧电压峰值，一旦出现交流侧电压峰值或逆电流方向，逆变器将断开交流侧断路器，切断后面电路。

综上所述，在直流侧光伏阵列系统设计图中，除了汇流箱安装的避雷器对地连接外，其余各处正、负极都是对地绝缘，绝缘电阻要求不小于1 MΩ。通过对等效电路模型K-1处、K-2处、K-3处短路分析可知，在直流侧任意一点出现短路，都达不到汇流箱、直流配电柜、逆变器所安装的直流断路器瞬时脱扣电流。对于短路故障点继续保持接通状态，其余各分支并联电路均会通过短路故障点持续大电流放电，就极易产生电弧起火。

3 解决方案探讨

光伏系统直流侧在实际运行中，其工作电流和短路电流值接近，二者还会根据光照条件和环境温度发生变化，断路器的保护定值难以确定，基于传统断路器和熔断器保护设计的汇流箱和直流配电柜在短路故障发生时，达不到迅速切除电源的目的。

为了解决这一问题，笔者采用传感器检测技术、自动控制技术设计了一套光伏直流侧短路保护装置。该装置可安装于汇流箱和直流配电柜内，通过传感器检测母排上正、负极电压和电流值的大小，然后将检测结果送入微处理器进行逻辑比较运算，判断线路是否有短路故障。根据现场试

此时K-3短路点将承受来自两个方向的短路电流：直流配电柜至短路点之间的短路电流I′k1；短路点至逆变器之间的短路电流I′k2。

1)对于I′k1，短路电流为直流柜内所有汇流箱短路电流之和：

I′k1=5×10×8.69 A=434.5 A

图7　K-3点短路等效电路图

直流柜内断路器通过的短路电流为86.9 A，小于直流柜内断路器动作电流125 A，直流柜内断路器不动作。由于短路点承载了434.5A的短验，当汇流箱出线电缆出现正负极短路时，若短路点为物理接触，正负之间电压瞬间跌落至零；如维持在约2 cm电弧持续放电，正负之间电压在50～100 V之间波动。这样就可通过软件分析电压、电流值的变化，确定短路故障，及时发出分闸信号，驱动断路器分励线圈脱扣，切断电源。新型汇流箱电气原理图如图8所示，新型直流配电柜电气原理图如图9所示。

该技术的优势在于检测技术成熟，通过微处理器对数据进行处理，软件的运算逻辑便于修改，适合于各型光伏组件和各种安装环境下组成的光伏系统，具有很强的通用性。同时还能监测电压、电流、发电量、温度、断路器状态和防雷器状态，以及实现远程分闸，增加系统的远程监测和控制能力。