探讨光伏电站直流发电系统保护配置

余国忠

（深圳供电局有限公司，广东 深圳518000）

光伏发电技术作为一种绿色、清洁的发电技术，受到世界各个国家的高度重视和发展。近年来，随着光伏发电技术的不断进步，世界各地建成了大量的大型并网型光伏电站，成为电力系统过程中最重要的电能供应设施之一，为电网供应了大量的清洁、可再生电能。与此同时，光伏电站由于短路、设备故障等原因，也造成了大量的安全问题，阻碍了光伏产业的发展和光伏发电技术的进一步推广。特别是对于大型并网型光伏电站来说，由于电站的设备数量多、运行环境复杂，更容易发生各种设备故障或短路问题，轻则影响电站的正常运行，重则可能引起电站火灾，造成设备损坏或电站工作人员安全隐患[1]。

基于此，本文以某公司光伏电站为例，展开对光伏电站直流发电系统保护配置研究，探讨直流侧保护配置的改进措施。

1 直流输电系统主要特点在光伏发电中的应用

1.1 直流输电系统主要特点

近年来，随着中国学者对直流输电系统研究的不断深入，在高压直流输电研究和应用方面，取得了长足的进步，特别是在输电系统保护、输电损耗控制等方面。但总体而言，中国在直流输电研究和应用，依然存在较多的问题。比如对于受端网络输电系统，或者其他类似的有源直流输电系统，不仅会因为系统中的换流器，导致系统供电存在较大的谐波，在供电过程中，还容易发生换相失败的问题，特别是当供电对象为一些短路容量较低的系统时，变相失败的问题时有发生[2]。得益于电力电子技术的快速发展，以高功率门极可关断晶闸管为代表的一系列全控型器件不断突破技术瓶颈，越来越多地应用于输电系统中，极大地解决了直流输电系统的不足，加之电压等级不断增高，显著提升了系统短路容量，为从根本上解决直流输电系统应用瓶颈奠定了基础。在直流输电系统中，将传统系统广泛使用的半控型器件，全面替换为运用PWM与VSC等新技术制造全控型器件，并以电压源换流器为核心，可有效克服传统直流输电系统的不足，形成一种先进的柔性直流输电系统，又叫做轻型直流输电系统，特点如下：①该系统可实现电源变换的全方位控制，降低电网受到的电源间歇性的影响；②可有效克服交流输电的不足，对交流系统进行及时有功调节和无功补偿，从而有效克服交流输电系统的电容效应的不良影响，在保证供电的可靠性和供电质量的基础上，有效延长供电距离[3]；③线路造价较低，首先，直流输电线路可有效杜绝交流电路中的集肤效应，实现导线截面的最大化利用，仅需交流电路1/3的导线截面，即可达到同等供电功率，且直流输电多使用两线制，可有效节约电线材料成本，其次，系统的线路走廊较小，对杆塔要求较低，相较于交流系统，可有效降低建造成本；④直流输电系统可通过对额定电流的有效控制，有效克服交流电路短路电流控制问题，短路容量不易受到直流联网影响[4]。

1.2 直流输电在光伏发电中的应用

现阶段，虽然中国光伏产业发展迅速，在西北部的新疆、青海等地，聚集大范围的GWp级光伏发电项目，但受昼夜交替、天气等因素影响，光伏发电无可避免地具有间歇性的特征，且具有较为严重的谐波问题。通过合理运用柔性直流输电系统，可有效克服光伏发电系统的不足，为光伏入网奠定良好基础，具体作用如下。

1.2.1 改善光伏电源间歇性

受日夜交替、天气、风沙、光照辐射不均等因素影响，光伏发电系统输出功率具有明显的间接性和不确定性，造成波形闪边、谐波污染等问题，是限制光伏入网的主要因素，运用柔性直流输电系统，其可以起到等效电容的作用，有效平抑输出功率波动问题，提高输出功率稳定性[5]。

1.2.2 减少或避免逆变环节产生的损耗

与交流输电系统不同，采用直流输电系统的情况下，可直接减少逆变环节，进而可以避免逆变调节造成的电能损耗。

1.2.3 降低输电系统造价

相较于交流输电系统，直流输电系统采用两线制即可完成电力传输，且直流输电线不会产生集肤效应，线径利用率显著增高，可有效降低线路造价，且可较为简单地通过线径的方式，提高系统输送容量。

1.2.4 利于非同期并网

采用直流输电系统时，系统输电距离、输电容量不受同步稳定性影响，且均能达到非同期并网效果，因此在系统建造时，无需考虑同期问题，对系统要求较低。

1.2.5 可应用于无源电网

直流输电线路在向无源电网输电时，无需设置滤波器，即可稳定供电，且多个换流站之间，无需通信，即可直接执行换流操作，可简化多端直流系统建构；此外，柔性直流输电系统还可有效克服分布式电源孤岛效应，为分布式电源入网提供便利。

2 光伏直流发电系统原理

近年来，石油、煤炭等矿产能源的使用，造成了严重的温室效应。随着世界各国不断制定并实施碳排放总量控制计划，找到一种可靠的可再生资源，减少石油、煤炭等矿产能源的利用，以减少碳排放，成为世界各国面临的问题。太阳能是一种随处可见的可再生绿色能源，利用半导体光伏效应，可将太阳能转化为电能，光伏发电已经成为当前应用最广泛的新能源技术之一。直流输电问题始终困扰着光伏发电系统的应用，成为光伏发电系统的应用亟待解决的重点问题[6]。

光伏发电技术本质上就是利用某些特殊半导体材料的光伏效应，将光能转化为电能的一种技术，核心元件是太阳能电池。太阳能电池经串联封装，组成太阳能电池组件，是光伏电站的核心部件[7]。光伏发电技术的优势主要体现在3个方面：①基本不受地域限制，只要有阳光就可发电；②电能清洁可持续，无需消耗石油、煤炭等能源，同时发电过程中不会产生污染；③电站建设完成，电路架设完毕即可就地供电。

为保证发电量和发电稳定性，一般将太阳电池组件通过一定的布局形成太阳能电池方阵，将方阵中的太阳能电池组件合理连接，然后接入逆变器，即可形成较为稳定的直流发电单元。大型光伏并网电站一般包含多个发电单元构成，单元发电功率一般为1 MWp。直流发电系统是指由太阳能电池方阵、汇流箱、配电箱和逆变器构成的电气系统，系统原理框图如图1所示。

图1 1 MWp光伏发电分系统原理框图

3 直流发电系统保护配置要点

现有某公司光伏电站，每1 MWp发电单元，由180个太阳能电池组件；每个太阳能电池组件，由22块多晶硅太阳能电池板串联封装而成；每个汇流箱，接入16组发电单元；直流发电系统保护配置要点如下。

为防止电路短路烧坏电气设备或造成火灾，每路输入回路，均配置高压直流熔丝保护装置In=15.0 A，Ue=1 000.0 V；每路直流输出母线端，均配置直流断路器保护装置In=200.0 A，Ue=1 000.0 V；为防止雷击造成电路电气设备损坏，配置了直流防雷配电箱，每个配电箱配置8个标准输入端口，每个输入端口接入一路汇流箱，每路输入母线，均配置200 A的光伏专用直流断路器In=200.0 A，Ue=1 000.0 V；直流发电系统保护配置设备参数如表1所示，汇流箱电气原理框图如图2所示。

图2 汇流箱电气原理框图

表1 直流发电系统保护配置

表1（续）

4 直流侧短路时保护动作

根据晶体二极管的指数模型，太阳能电池具有整流效应，输出的电流值为各频谱电流的叠加等于短路电流。基于此，可对各级直流发电系统设备保护动作进行分析。

4.1 太阳能电池组串单极接地

因为直流发电系统是不接地系统，在太阳能电池串组单极接地的状态下，如图2中K3，接地点无电流，汇流箱内保险，以及汇流箱和配电柜内被直流断路器均无保护动作，逆变器报绝缘故障停机。

4.2 太阳能电池组串正负极短路

电池组串正负极短路是各种原因导致的线缆绝缘保护层破损造成的。在短路状态下，线缆接触部位存在2路短路电流，一路由太阳能电池组串发出，电流大小约为8.88 A；另一路则是由剩余15个太阳能电池组串提供，电流大小约为15×8.88=133.2 A。因为汇流箱中配置的熔丝的熔断电流为15 A，而流经的电流值却高达133 A，导致熔丝熔断。这一过程中，因为电流值不超过直流断路器200 A的熔断值，因此直流断路器不会产生保护动作。而接地组串的短路电流，会一直处于流通状态，产生电弧，烧坏其他组串，进一步引发其他组串短路，组串熔丝则因为短路导致的电流过大熔断，直流断路器不产生保护动作。由于组串在光照作用下，持续产生电流，则短路点的短路电流存在，直至组串电缆绝缘保护层全部燃烧并烧坏，组串电缆悬空，短路点消失，或者是运营人员及时发现短路点，并将短路点电缆分离处理[8]。

4.3 汇流箱出线电缆短路

汇流箱出线电缆短路，一般是因为出线处理不善或者自然落石等原因引起的出线电缆连接造成的，如图1中K1，出线电缆短路点也承受2路短路电流，由短路点汇流箱和配电柜其他5路汇流箱的提供，电流分别为142 A、710 A。由于在汇流箱中配置的直流断路器的速断电流为5In，即1 000 A，因此在这一短路状态下，断路器不会发生短路保动作，且由于各个电池串列的光照条件不同等原因，导致组串的电压存在差异，组串很可能出现环流现象，或者是因为某些组串电压过低出现电流倒灌现象，将熔丝熔断；在配点柜中配置的全选择性断路器，速断动作值10In，即2 000 A，断路器延时动作。

5 直流发电系统保护配置改进措施

由以上分析可知，在直流侧发生短路的状态下，布置于汇流箱中的断路器，难以在短路状态下及时发生短路保护动作，为确保保护装置能够在短路问题发生时，及时发出保护动作，给出以下几点优化措施：①在设计阶段，为从根源上避免组串的正负极短路问题，应将正负极出线分开布置。②金属槽盒安装阶段，应提前检查金属槽盒完整性和外形，防止破损槽盒刮坏电缆绝缘保护层；槽盒安装完毕，应检查槽盒安装封闭性，避免后期进入老鼠，咬坏线缆[9]。③布线阶段，应提前检查线缆绝缘保护层完整性，严禁布设绝缘保护层破损的线缆。④在汇流箱中，加设防反二极管，避免在某一组串正负极短路时，其他组串向短路点提供短路电流；加设电子绝缘监察装置，在某组串正负极短路或者是汇流箱出线短路时，向运维人员发出警报信号；或者是该用全选择性断路器。⑤在电站运行期间，提高设备检查力度和频率，定时排查各设备、设施、电缆是否存在安全隐患。

6 结论

光伏发电技术，对中国未来的可持续发展具有重要意义，本文以某公司光伏电站为例，探讨了光伏电站直流发电系统保护配置，结论如下：①在设计阶段，应做好各出入线的正负极布置设计，应尽量将正负极出入线分开设置；②在槽盒安装和布线阶段，应做好槽盒和线缆的检查和安装，避免槽盒破损刮坏线缆，避免布设绝缘层破损的电缆；③在汇流箱中，应加设防反二极管和电子绝缘监察装置，减少短路点电流，并在短路发生时及时报警；④做好后期运营管理，加大检查力度和频率，减少安全隐患。