集中式与组串式光伏电站的对比分析

韦文君

（四川晶源电力开发有限公司，四川成都，610041）

集中式与组串式光伏电站的对比分析

韦文君

（四川晶源电力开发有限公司，四川成都，610041）

太阳能光伏发电的特点是资源丰富、清洁、不受资源分布地域限制等，所以光伏发电产业在我国迅猛发展，现有多种光伏电站形式。本文从结构与安全风险两方面，对比分析了组串式与集中式两种应用广泛的电站解决方案；通过理论与实际案例结合，阐述了它们的特点，提出了光伏电站形式的选择依据，进一步指导光伏工程实践。

集中式；组串式；光伏电站；对比

引言

近年来，我国太阳能产业发展很快，国内光伏累计装机容量已超过28GW，且增长速度每年大于10GW。在光伏电站运行中，行业内探讨组串式与集中式逆变器的故障率、可靠性、安全隐患等意见不一致。

本文从组串式与集中式逆变器的结构、安全风险等方面对比分析两者的差异，进一步指导工程实践。

1 组串式和集中式电站结构对比

集中式光伏电站的结构主要包含组件、直流汇流箱、直流配电柜、逆变器及其配套的逆变器房或集装箱体、箱式升压变等［1］。

对比集中式方案，组串式方案降低了直流设备和逆变房等配套设施，增加了交流汇流箱，缩短了高压直流的传输距离，国内常用的组串式方案更使用了无熔断器设计，自然散热的低成本方案［2］，如图1所示。

图1　集中式方案与组串式方案结构对比

2 组串式和集中式光伏发电安全风险对比

本文中分析的安全风险，是指光伏电站中可能引发火灾或对人身安全产生威胁的风险点。根据前述中关于组串式与集中式的对比，最大差异就是交流和直流电缆距离的不同，而交流输电与直流输电在安全性有显著的差异［3］。

直流供电通常用于安全电压48V以下的自动控制装置与备用发电装置，或是特高压长距离直流输电（±400kV以上）工程中。1000V直流输电是随着太阳能的发展而兴起的，其配套的相关电气设备还不完善，特别是有部分厂家将交流断路器当作直流断路器使用的情形［4］。

在开关电器中，发生故障时是否可以正确灭弧是衡量开关元器件最重要的一项技术指标。由于交流系统存在过零点，开关元件在断开故障电流时，能够利用过电压过零点进行灭弧，而且因为电弧的产生电压要比保持电压高得多，交流电弧在过零点处熄灭后不容易再次出现。而直流没有过零点，电压总是存在的，电弧保持燃烧，必须拉开足够的弧长距离才能够可靠熄灭。接线不良、电缆绝缘破损等也会引起拉弧，具有较高热能的电弧的出现使得电站存在火灾的隐患，也是光伏电站发生火灾的最主要因素［5］。

从总体上看，交流系统部分基本是稳定可靠的，电站的安全性风险主要来自直流部分。必须采取严谨的设计、减少直流系统长度，同时进行精心的电气设备选型，以保障电站安全。

2.1组串式逆变器到交流汇流箱与集中式直流汇流箱到配电柜安全对比

在集中式方案中，直流汇流箱到直流配电柜这段电缆，电压高达500～800Vdc，按照16进1出的直流汇流箱进行计算，电流大约在130A左右，长度一般超过100米，在山地光伏电站或建筑光伏系统中，由于地形及建筑物的因素，长度可能会超过300米。这段电缆是集中式方案较易发生着火事故的一段电缆，且由于能量大，影响范围及后果严重。

组串式方案逆变器至汇流箱的电能传输为交流输电，交流电压变为380V或480V，电流一般控制在50A以内，大大降低了发生火灾的可能性。

案例1：2014年7月，某屋顶光伏电站发生着火，如图2所示。彩钢瓦屋顶被烧穿了几个大洞，厂房内设备烧毁若干，损失惨重。最终分析原因为：由于施工或其他原因导致某汇流箱线缆对地绝缘降低，在环流、漏电流的影响下逐步严重，最后导致绝缘效果消失，线槽中的正负极电缆伴有短路、拉弧，导致了着火事故的发生，如图2所示。

图2　屋顶光伏电站着火

案例2：2014年5月，某山地光伏电站发生着火，当地林业部门立即责令停止并网发电，进行全面风险评估，持续时间三个月，造成了数百万的损失。最终分析原因为：由于某汇流箱电缆在施工时被拖拽磨损，在运行一段时间后绝缘失效，正负极电缆出现短路、拉弧，导致了着火事故的发生，如图3所示。

图3　山地光伏装置着火

2.2组串式与集中式方案中组件汇流线缆的安全对比

光伏电站的能量来源为太阳能光伏组件，组件电流输出使用小截面直流线缆对于组串式和集中式来说都必不可少。对组串式方案来说，一般采取2～3串组件并联；而对于集中式方案来说，一般采取16路并联后，再经直流汇流箱8路并联，最终并联的组件数可能达到100串组件［6］。那么两者的安全性方面的对比如图4和图5所示。

图4　串并联-组串式解决方案

图5　组串式与集中式方案直流线缆的故障

2.3集中式方案中直流熔断器的安全风险分析

2.3.1熔断器增加了直流节点，埋下安全隐患

集中式1MW需要使用熔断器400个，每个熔断器与熔断器盒夹片之间采用压接的方式。由于熔断器盒对线缆可靠安装要求高，现场实际不容易做到，可能出现接触不良的现象，是汇流箱着火的主要原因［7］，如图6～图8所示。

图6　直流汇流箱着火

图7　熔断器接线不良引发的烧毁着火

图8　熔断器与底座接触不良引发的烧毁着火

而主流组串式方案一般采用无熔断器设计，外部连接一般采用专用光伏连接器，可靠性相对较高，可以有效规避因施工人员能力不同引发的安装隐患［8］。

小结：集中式直流节点多，容易因接触不良引发着火事故，组串式直流节点数只有集中式的1/4，且使用专用光伏连接器，安全可靠。

2.3.2熔断器并不能有效地保护组件

从熔断器标准IEC 60269-6（图9）中可以看出：15A的熔断器，标准要求在16.95A下，1小时不能熔断；在21.75A下，1小时内熔断。冬天受低温影响，需要熔断的电流更大，时间更长。

图9　标准IEC 60269-6 对熔断器的要求

从组件标准IEC 61730-2（图10）中可以看出：反向电流15A的组件，标准要求在20.25A下，2小时不能起火。标准只是要求组件不起火，却不能保证组件不损坏，实际上组件一直在承受反向电流而发生热斑效应，性能会下降，输出功率会降低。

图10　标准IEC 61730-2 对组件的要求

熔断器的标准要求是1.45倍的电流，而组件的标准要求是1.35倍的电流，那么在1.35至1.45倍额定电流之间就出现了一个保护空挡。在这个保护空挡内，熔断器不能够有效地保护组件，可能造成光伏组件本体损坏。

图11　光伏熔断器熔体结构

从光伏熔断器熔体结构（图11）上看：熔断器狭径非常细，这对制造工艺、材料选择等方面要求较高，生产厂家的信誉是保证熔断器质量的根本。由于生产工艺可能造成生产的熔断器额定电流出现一定的偏差，若不能在规定的电流和时间两个条件下及时熔断，还会加剧电池板的损坏，带来火灾风险。所以，从电站安全的角度出发，为了保护组件，不仅需要增加熔断器，还需要使用带防反二极管的直流汇流箱。

2.3.3熔断器引发火灾隐患

熔断器在过载电流情况下，如果熔断慢、发热高，火灾风险大。其保护原理是利用金属的热熔特性，热熔特性指熔断时间与过电流大小呈反比关系：即电流大，熔断速度快；电流小，熔断速度慢，如图12所示。

图12　熔断器的熔断时间和电流特性曲线

光伏熔断器的熔体主要使用银。银的熔点高达961℃，为了保护设备，在银上增加了一个焊锡点，该焊锡的熔点一般在260℃以上，这就保证在260℃可熔断，如图13所示。

图13　熔断器发热使熔断器盒烧毁

另外，部分熔断器在熔断时会出现喷弧现象，电弧温度非常高，会使相邻的塑料元件、线缆绝缘等着火，如图14所示。

图14　熔断器熔断时喷弧烧毁相邻元件

小结：集中式方案因使用熔断器增加了直流节点，现场可能发生接线不良而引发烧毁事故；集中式方案使用熔断器保护组件，但因熔断器和组件之间存在匹配空挡，并不能有效地保护组件；而且在过载电流情况下，熔断器还会因熔断慢，发热高，容易引发着火风险，成为光伏电站安全的重大隐患。国内部分组串式厂家因为采用超过两路组串并联设计，必须外置熔丝保护，因此也存在着熔断器的安全和维护问题。而主流组串式方案，采用无熔丝的设计方案，不仅从源头解决了组件和线缆的保护问题，而且彻底杜绝了熔断器安全隐患。

2.4集中式交流断路器代替直流断路器使用风险分析

因为高压直流灭弧难的问题，在1000Vdc直流断路器设计和生产上，由于成本高，只有少数厂家能够生产，使得直流断路器价格也高出交流断路器近2倍。近几年，光伏行业进入了“价格战”阶段，部分厂家为了降低成本，直接将交流断路器代替直流断路器使用，但未对灭弧系统进行有效控制。当出现故障时，交流断路器无法将高压直流电弧熄灭，这就存在安全风险，极易引发着火事故，如图15所示。

图15　在直流故障时交流断路器的灭弧室被烧穿

小结：集中式方案中，若如果使用交流断路器代替直流断路器，则存在着火隐患。而组串式中，变直流输电为交流输电，本身设计选用的就是成熟可靠的交流断路器，风险较小。

2.5组串式与集中式防护安全对比

当前主流组串式方案采用自然散热，IP65的防护等级。设计上保证防沙尘、抗盐雾，且全密闭，可保障逆变器安全运行25年。

集中式方案采用风扇散热，IP20设计，防护等级低，无法隔离沙尘和盐雾。因此，集中式电站在运行一段时间后，由于环境原因会使其逆变房、逆变器和直流汇流箱内都积满了沙尘，需要定期对防尘棉、通风系统进行维护。积尘会堵塞防尘网、降低通风系统的效率，使设备散热性能变差，大功耗器件温度急剧上升，严重时将引发着火事故。在沙尘中经常会含有部分金属颗粒，落在电路板上，会降低电路板上设定的安全规定的间距，可能会发生放电打火现象。另一因素是：当湿度增加时，其中的酸根和金属离子活性增强，呈现一定酸性或碱性，这会对PCB板上铜、锡、器件等金属端点造成腐蚀，引起设备工作异常的风险增加。在沿海等高盐雾地区，腐蚀引发设备异常现象更加显著，如图16～图18所示。

图16　集中式逆变房内积尘

图17　集中式逆变器内部积尘

图18　集中式直流汇流箱锈蚀、积尘

小结：集中式逆变器IP20防护等级，不可避免受到沙尘影响，会引起开关接触不良，风扇失效散热变差，电路板打火等现象，存在着火风险。而组串式逆变器IP65防护等级，完全隔离沙尘，可靠性及安全性较高。

2.6组串式逆变器和集中式逆变器防PID安全对比

我国东部地区，人口密度高，土地资源稀缺，无法和西部地区一样发展大型地面光伏电站，结合东部地区鱼塘，滩涂多的特点。出现很多渔光互补或滩涂光伏电站，此类电站环境湿度大，电池组件更容易出现PID衰减，为此，必须增加防PID措施。

集中式逆变器为防止PID问题，一般采取负极接地的方案，这样在电池组件正极与接地系统之间会形成高压。通常熔断器选型在5A以上，人若不小心触碰到电池组件正极，可能造成人身伤亡事故。同时若组件正极或电缆产生接地故障，会通过接地线产生故障电流或产生电弧放电，引发着火事故。

组串式逆变器为防止PID问题，通过在系统中设置虚拟正压电路，实现所有电池板负极对地正电压，安全规避PID效应。由于电池板负极无需接地，加上逆变器内部的残余电流监测电路，能够在检测到漏电流大于30mA的情况下，迅速切断电路，实现了保护人身安全，如图19所示。

图19　PID效应规避

小结：集中式采用负极接地防止PID，存在人身安全和着火两大隐患。组串式采用虚拟正压防止PID，无需负极接地，不存在人身安全和着火隐患。

3 总结

综上所述，集中式解决方案存在风险，特别是在断路器、直流输电、熔断器、防护等级、防PID效应等方面。而组串式方案变直流输电为交流输电，采用无熔断器、自然散热、IP65防护等级、虚拟正压防止PID等，从根本上解决了集中式解决方案中潜伏的着火隐患。

光伏电站安全问题已上升为中国能源发展中必须关注的问题。在2015年8月举行的在大型光伏电站高效可靠运营与发电增效研讨会上，国家发改委能源研究所研究员王斯成就表示：“在走访西部大量电站后发现，多数电站在运营一段时间后出现了大量的安全问题，而电站质量直接影响到电站的收益，这也是为什么目前银行对投资电站有顾虑的主要原因之一。”

［1］白明德. 光伏集中式逆变器与组串式逆变器［J］. 现代国企研究，2015（18）.

［2］张力夫. 大中型光伏电站集中式与组串式逆变器的对比［J］. 有色冶金节能， 2016， 32（1）:51-54.

［3］徐颖川. 集中式与组串式逆变器方案在大型并网光伏电站中的应用［J］. 科技传播， 2015， 7（18）.

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［5］高立刚. 大型并网光伏电站集中式与组串式逆变器整体解决方案分析［J］. 太阳能， 2016（2）:14-21.

［6］孙庆. 组串式与集中式光伏电站安全对比分析［J］. 太阳能，2015（8）:70-75.

［7］李相华. 浅析组串式和集中式逆变器安全可靠性［J］. 太阳能，2015（6）:17-20.

［8］李保鹏， 张冬梅. 组串式逆变器在大型并网电站中应用的经济可行性［J］. 建筑工程技术与设计， 2015（14）.

韦文君（1972-），男，汉族，安徽太湖人，四川晶源电力开发有限公司高级工程师。研究方向：光伏、风力发电技术。

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

工业技术创新 URL： http://www.china-iti.com 10.14103/j.issn.2095-8412.2016.04.065