光伏電站直流發電系統保護配置分析

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摘要：隨著光伏電站大量建成投運，電站的運營管理安全風險日益突出。由于光伏直流發電系統電壓高，保護配置不完善，一旦發生短路故障，極易造成設備拉弧燒毀，從而導致設備起火。本文從并網光伏發電系統保護配置的角度分析直流側發生短路時各級保護動作情況，并對這一情況提出改進措施。

關鍵詞：光伏直流發電系統；保護配置；改進措施

太陽能作為清潔、可再生能源得到世界各國的高度重視，光伏發電系統得到了大規模的推廣和應用，光伏產業作為世界高度關注的新興能源產業，近年來，發展非常迅猛。與此同時，光伏電站暴露出的各種安全問題帶給光伏行業越來越多的擔憂。對于大型并網型光伏電站來說，太陽能電池組件、匯流箱、直流電纜等設備數量多、分布廣、運行環境惡劣，隱患難以察覺，最容易出現直流側電氣短路故障，如果沒有可靠的電氣保護，一旦發生短路故障，小則造成單個設備燒毀，大則造成大面積起火。本文著重對直流側發生短路時各級保護動作情況進行分析，并對當前直流側保護配置提出改進措施。

1光伏直流發電系統原理

太陽電池組件是通過光伏效應將太陽能直接轉變為直流電能的部件，是光伏電站的核心部件。太陽電池組件通過合理的連接，形成電站所需的太陽電池方陣，并與逆變器構成直流發電單元，大型光伏并網電站是由很多光伏發電單元系統疊加而成的，每個發電單元1MWp。直流發電系統系指太陽電池方陣到逆變器直流側的電氣系統，包括太陽電池組件、匯流箱、直流配電柜及逆變器。

2直流發電系統保護配置

以我公司光伏電站為例，每1MWp方陣有180個組串，每個組串有22塊多晶硅電池板，每個匯流箱（圖2）同時接入16路光伏組串，每路輸入回路配有高壓直流熔絲進行保護，其耐壓值為DC1000V，額定電流為15A,直流輸出母線端配有200A的直流斷路器。每個直流防雷配電柜有8路匯流箱輸入端口，直流輸入母線端配有200A的光伏專用直流斷路器。具體配置參數如表1。

3直流側短路時保護動作分析

根據肖克賴方程得知，太陽能電池的光照電流即等于短路電流。光照電流等于各頻譜電流的累積，意味著某一光照條件下近似恒流源，短路電流恒定?；谶@一定律，分析現場直流側常見故障時各級保護動作情況。

3.1太陽能電池組串單極接地

由于直流系統為不接地系統，當單極接地時(如圖2中K3)，接地點無電流流過，匯流箱內保險、直流斷路器以及配電柜直流斷路器不動作，逆變器報絕緣故障，逆變器停機。

3.2太陽能電池組串正負極短路

由于電纜槽盒封堵不嚴線纜被老鼠咬破，布線過程中線纜絕緣層被電纜槽盒劃傷劃破等原因造成組串正負極短路(如圖1中K1)，此時，短路點承受2個方面的短路電流，一個是組串的提供的短路電流，約為8.88A，另一為其他15路組串提供的短路電路（匯流箱沒有防反二極管）為15×8.88=133.2A，通過接地組串的熔絲為短路點注入電流。由于熔絲的熔斷電流為15A，流過電流為133A，匯流箱內熔絲熔斷，額定值為200A的直流斷路器不動作。同時，接地組串的短路電流繼續存在，電弧存在，布置在同一槽盒內的其他組串燒結，相繼發生短路，組串熔絲相繼熔斷，直流路器不動作。由于光照的存在，短路點一直存在，直至組串電纜因燃燒自行懸空或者運維人員處理，電弧不足以持續，短路點消失。

3.3匯流箱出線電纜短路

由于施工原因以及自然落石砸傷等原因造成匯流箱出線電纜短路(如圖1中K2)，此時短路點同樣承受2個方面的短路電流，一個是匯流箱的提供的短路電流，約為142A，另一為直流配電柜其他5路匯流箱提供的短路電流142×5=710A，通過短路點支路的直流斷路器為短路點注入電流。由于匯流箱直流斷路器的速斷電流為5In即1000A，斷路器不動作，同時，由于光照條件以及安裝角度等因數導致各組串電壓不相等，組串存在環流或者電流倒灌現象，熔絲熔斷；配電柜內直流斷路器為全選擇性斷路器，速斷動作值10In即2000A，斷路器延時動作。

4存在問題以及改進措施

通過上述分析得知，當直流側短路時，匯流箱的斷路器無法實現實現保護動作。建議如下：（1）嚴格控制建設施工質量，規范化及精細化施工。保證光伏電站各環節的嚴格正確且規范化施工，是光伏電站安全運行的關鍵保障，減少纜槽盒封堵不嚴線纜被老鼠咬破，布線過程中線纜絕緣層被電纜槽盒劃傷劃破等原因。（2）在設計階段，要把組串出線正負極出線分開布置，避免通過金屬槽盒導致短路。（3）匯流箱增加電子型直流系統絕緣監察裝置，當某一組串回路對地絕緣下降或接地時，低頻信號回路溝通，可以使信號裝置觸發匯流箱內斷路器動作報警，或者匯流箱內斷路器采用全選擇性斷路器。（4）加強設備巡回檢查，定期檢查槽盒封堵情況，組串出線電纜是否完好，匯流箱內接線端子是否緊固。

作者：武飛 單位：福建省福能新能源有限責任公司