光伏电站直流发电系统保护配置分析研究

武飞

（福建省福能新能源有限责任公司，福建 莆田 351146）

太阳能作为清洁、可再生能源得到世界各国的高度重视，光伏发电系统得到了大规模的推广和应用，光伏产业作为世界高度关注的新兴能源产业，近年来，发展非常迅猛。与此同时，光伏电站暴露出的各种安全问题带给光伏行业越来越多的担忧。对于大型并网型光伏电站来说，太阳能电池组件、汇流箱、直流电缆等设备数量多、分布广、运行环境恶劣，隐患难以察觉，最容易出现直流侧电气短路故障，如果没有可靠的电气保护，一旦发生短路故障，小则造成单个设备烧毁，大则造成大面积起火。本文着重对直流侧发生短路时各级保护动作情况进行分析，并对当前直流侧保护配置提出改进措施。

1 光伏直流发电系统原理

太阳电池组件是通过光伏效应将太阳能直接转变为直流电能的部件，是光伏电站的核心部件。太阳电池组件通过合理的连接，形成电站所需的太阳电池方阵，并与逆变器构成直流发电单元，大型光伏并网电站是由很多光伏发电单元系统叠加而成的，每个发电单元1MWp。直流发电系统系指太阳电池方阵到逆变器直流侧的电气系统，包括太阳电池组件、汇流箱、直流配电柜及逆变器。

图1 1MWp 光伏发电分系统原理框图

2 直流发电系统保护配置

以我公司光伏电站为例，每1MWp 方阵有180 个组串，每个组串有22 块多晶硅电池板，每个汇流箱（图2）同时接入16 路光伏组串，每路输入回路配有高压直流熔丝进行保护，其耐压值为DC1000V，额定电流为15A，直流输出母线端配有200A 的直流断路器。每个直流防雷配电柜有8 路汇流箱输入端口，直流输入母线端配有200A 的光伏专用直流断路器。具体配置参数如表1。

表1 直流发电系统保护配置

3 直流侧短路时保护动作分析

根据肖克赖方程得知，太阳能电池的光照电流即等于短路电流。光照电流等于各频谱电流的累积，意味着某一光照条件下近似恒流源，短路电流恒定。基于这一定律，分析现场直流侧常见故障时各级保护动作情况。

图2 汇流箱电气原理框图

3.1 太阳能电池组串单极接地

由于直流系统为不接地系统，当单极接地时(如图2 中K3)，接地点无电流流过，汇流箱内保险、直流断路器以及配电柜直流断路器不动作，逆变器报绝缘故障，逆变器停机。

3.2 太阳能电池组串正负极短路

由于电缆槽盒封堵不严线缆被老鼠咬破，布线过程中线缆绝缘层被电缆槽盒划伤划破等原因造成组串正负极短路( 如图1 中K1)，此时，短路点承受2 个方面的短路电流，一个是组串的提供的短路电流，约为8.88A，另一为其他15 路组串提供的短路电路（汇流箱没有防反二极管）为15×8.88=133.2A，通过接地组串的熔丝为短路点注入电流。由于熔丝的熔断电流为15A，流过电流为133A，汇流箱内熔丝熔断，额定值为200A 的直流断路器不动作。同时，接地组串的短路电流继续存在，电弧存在，布置在同一槽盒内的其他组串烧结，相继发生短路，组串熔丝相继熔断，直流路器不动作。由于光照的存在，短路点一直存在，直至组串电缆因燃烧自行悬空或者运维人员处理，电弧不足以持续，短路点消失。

3.3 汇流箱出线电缆短路

由于施工原因以及自然落石砸伤等原因造成汇流箱出线电缆短路(如图1 中K2)，此时短路点同样承受2 个方面的短路电流，一个是汇流箱的提供的短路电流，约为142A，另一为直流配电柜其他5 路汇流箱提供的短路电流142×5=710A，通过短路点支路的直流断路器为短路点注入电流。由于汇流箱直流断路器的速断电流为5In 即1000A，断路器不动作，同时，由于光照条件以及安装角度等因数导致各组串电压不相等，组串存在环流或者电流倒灌现象，熔丝熔断；配电柜内直流断路器为全选择性断路器，速断动作值10In 即2000A，断路器延时动作。

4 存在问题以及改进措施

通过上述分析得知，当直流侧短路时，汇流箱的断路器无法实现实现保护动作。建议如下：

（1）严格控制建设施工质量，规范化及精细化施工。保证光伏电站各环节的严格正确且规范化施工，是光伏电站安全运行的关键保障，减少缆槽盒封堵不严线缆被老鼠咬破，布线过程中线缆绝缘层被电缆槽盒划伤划破等原因。

（2）在设计阶段，要把组串出线正负极出线分开布置，避免通过金属槽盒导致短路。

（3）汇流箱增加电子型直流系统绝缘监察装置，当某一组串回路对地绝缘下降或接地时，低频信号回路沟通，可以使信号装置触发汇流箱内断路器动作报警，或者汇流箱内断路器采用全选择性断路器。

（4）加强设备巡回检查，定期检查槽盒封堵情况，组串出线电缆是否完好，汇流箱内接线端子是否紧固。