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组串式与集中式光伏电站安全对比本文通过分析对比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分析它们的安全性差异,供业界探讨。 1 组串式和集中式电站结构对比集中式光伏电站解决方案主要包括组件、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。与集中式方案相比,组串式方案减少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,国内主流的组串式方案更采用了无熔断器设计,自然散热的简洁方案。图1 组串式和集中式方案电站结构对比主要电气设备对比: 电缆对比: 2 、组串式和集中式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。直流供电主要用于于安全电压 48V 以下的控制系统及后备电源使用,或是特高压长距离直流输电(± 400kV 以上)工程中。 1000V 直流输电是伴随着光伏的发展而兴起,其配套的相关电气设备还有待完善,甚至有部分厂家使用交流断路器充当直流断路器使用的情况。在开关元件中,在发生故障时能够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(注释:工业交流电每半周电流要过零一次,交流电流总是在电流过零时熄灭的) ,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,而且由于电弧的产生电压要比维持电压高得多,所以,交流电弧在过零点处熄灭后很难再产生。而直流没有过零点,电压一直存在,电弧持续燃烧,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一个火灾的隐患,也是光伏电站发生火灾的最主要因素。从总体上看,交流系统部分相对成熟可靠,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,电压变为 380Vac 或 480Vac ,电流一般控制在 50A 以内,大大降低了发生火灾的可能性。 2.1.1 集中式直流汇流箱到配电柜安全风险分析如图 2所示,当短路故障( A点)发生在直流汇流箱和配电柜进线断路器之间时,存在直流回路(红色)和交流回路(蓝色)。 1)直流回路: 由于短路电流较小, 直流断路器 QF3 为防止误动作,一般整定电流都较大,使得汇流箱直流断路器 QF3 无法跳脱切断回路,从而使得汇流箱输出持续的直流能量到短路点,维持电弧燃烧,使火灾风险持续扩大。(注释:正负短路形成回路,短路电流小于断路器的整定电流,断路器壳体参数 li=10ln ,断路器在短路时,当短路电流达到断路器额定电流 10 倍时,断路器就可以跳开。断路器额定电流值的 10 倍数值就是短路保护的整定值,这个值一般很大。) 2)交流回路:电流主要来自电网侧,在直流断路器 QF1 及交流断路器 QF2 动作前, 逆变单元 IGBT (逆变电路模块) 将承受较大的故障电流,可能会对其产生严重的损坏。图2 直流汇流箱到配电柜故障案例: 2014 年7月,某屋顶光伏电站发生着火,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、漏电流的影响下进一步加剧,最终引起绝缘失效,线槽中的正负极电缆出现短路、拉弧,导致了着火事故的发生。图3 直流汇流箱到配电柜电缆故障致屋顶烧毁案例: 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。图4 直流汇流箱到配电柜电缆破损短路故障引发山地着火 2.1.2 组串式逆变器到交流汇流箱安全风险分析如图 5所示,当短路故障( A点)发生在组串式逆变器和交流汇流箱之间时,存在逆变器输出的交流回路(红色)和电网侧的交流回路(蓝色)。 1)逆变器输出交流回路:组串式逆变器均具有限流输出功能,在逆变器检测到电网电压异常,会立即控制逆变器脱网,切断故障点的直流侧电流。 2)电网侧交流回路:交流断路器 QF1 会进行短路保护,切断电网过来的短路回路, 不会造成任何影响。图5 交流侧故障小结: 集中式直流汇流箱到配电柜电缆能量大,短路故障时直流源持续时间较长,电弧持续燃烧,事故影响严重,应加强直流电缆的绝缘监测。组串式逆变器到交流汇流箱发生短路故障时,交直流侧电源均能迅速切除,安全风险较小。 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。那么两者的安全性方面的对比如下: 图6 组串式与集中式方案直流线缆的故障 2.2.1 短路故障发生概率对比当组件线缆通过线槽进行汇集时,易发生线间短路故障。组串式只有并联的 2串间会发生短路故障,组合数为 2^2 ,而集中式一台直流汇流箱的 16 路线缆都会发生短路故障, 组合数为 2^16 ,集中式组件线间直接发生短路故障的概率比组串式要高得多。小结:集中式组件发生短路故障的概率远远高于组串式,短路故障若不能及时切除, 将会引起电流反灌。 2.2.2 电流反灌风险对比国内主流的组串式方案采用 2串组件并联,即使有一串发生短路故障,反灌电流最大也不会超过 10A ,均在直流线缆和光伏组件承受范围以内( 4 2 mm 直流电缆载流能力大于 30A ,组件耐受反灌电流 15A ),安全性较高。而集中式方案组件并联串数多,反灌电流大,超出了线缆和组件的安全要求。所以, 集中式方案必须使用保护器件对线缆和组件进行保护,相比于直流断路器,熔断器因价格低被集中式方案选择。但使用熔断器作为保护元件又带来了一系列的安全问题,具体安全风险分析如下。 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有采用压接的方式。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1
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这个不是我熟悉的地区光伏电站电气部分设计注意事项
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摘要: 在地面光伏电站的开发建设中，设计工作可以称之为核心工作，设计影响着整个光伏电站的建设，并且直接与效益挂钩。那么在设计过程中，电气部分应该注意哪些事项呢？下面为大家简要分析一下。 　　一、组件选型 　　众所周知，太阳能的 ...
在地面光伏电站的开发建设中，设计工作可以称之为核心工作，设计影响着整个光伏电站的建设，并且直接与效益挂钩。那么在设计过程中，部分应该注意哪些事项呢？下面为大家简要分析一下。
　　一、组件选型
　　众所周知，太阳能的能量密度较低。在这种前提下，如何有效的利用太阳能就显得非常重要。目前国家领跑者计划要求的组件效率是多晶硅组件不低于16.5%，单晶硅组件不低于17%。就组件转化效率来看，单晶硅组件优于多晶硅组件，但由于单晶硅电池组件相对多晶硅组件价格略高，所以在组件选择时，不宜仅根据价格就盲目选择组件。需要针对不同组件进行发电量计算比选及项目收益等多方面的技术经济分析，选取适合的电池组件。
　　二、逆变器选型
　　目前逆变器分为组串式逆变器与集中式逆变器两种。
　　1、组串式逆变器
　　组串式逆变器多用于山地光伏发电系统、中小型屋顶光伏发电系统、小型地面电站。功率小于50kW。组串式逆变器的设计方案中，光伏组件产生的直流电直接接到组串式逆变器，逆变成交流电，再进行汇流升压。
　　组串式逆变器的主要优点为：
　　①不受组串间模块差异，和阴影遮挡的影响，同时减少光伏电池组件最佳工作点与逆变器不匹配的情况，最大程度增加了发电量；
　　②MPPT电压范围宽，组件配置更加灵活；
　　③体积较小，安装灵活。
　　组串式逆变器的主要缺点为：
　　①功率器件电气间隙小，不适合高海拔地区；
　　②户外型安装，风吹日晒很容易导致外壳和散热片老化。
　　③逆变器数量多，总故障率会升高，系统监控难度大。
　　2、集中式逆变器
　　集中式逆变器一般用于日照均匀的大型厂房，荒漠电站等大型发电系统中，系统总功率大，一般是兆瓦级以上。设备功率在50kW到630kW之间。集中式逆变器的设计方案中，光伏组件产生的直流电，经过直流汇流箱汇流之后，接到逆变器，逆变成交流电，再进行升压。
　　集中式逆变器的主要优势为：
　　①项目建设中使用的逆变器数量少，便于管理；
　　②就逆变器性能来看，谐波含量少，各种保护功能齐全，电站安全性高；
　　③有功率因素调节功能和低电压穿越功能，电网调节性好。
　　集中式逆变器的主要缺点为：
　　①集中式逆变器MPPT电压范围较窄，不能监控到每一路组件的运行情况，因此不可能使每一路组件都处于最佳工作点，组件配置不灵活。
　　②集中式逆变器占地面积大，安装不灵活。
　　③自身耗电以及机房通风散热耗电，系统维护相对复杂。
　　逆变器选型时，需根据项目地势地况、海拔高度等多方面因素来选择合适的逆变器。例如在青海的高海拔荒漠大型地面电站的设计中，常选择集中式逆变器；在山地光伏电站中，由于安装的组件阵列面积大小不同、组件排布相对零散，可选择组串式逆变器，且用多路MPPT进行跟踪，尽可能提高发电量。
　　三、集电线路设计
　　光伏电站的集电线路设计，对于土层较厚、可以开挖的地区，通常采用电缆直埋方案，这也是最经济的方案；若地表为岩石、无法开挖的情况，则需要采用电缆沿桥架敷设方案。对于地况复杂，起伏较大，或光伏阵列布置分散的情况，一般采用杆塔形式架空敷设。在集电线路的设计过程中，需根据详细的地形测绘图，针对电站项目建设地的地形地貌，尽量绕开施工困难的区域，选取经济合理的设计方案。
　　四、接地设计
　　在光伏电站的接地设计中，除了设计时根据地勘单位提供的电阻率计算接地电阻外，还要考虑当地的土壤腐蚀性等地质情况，若当地土壤盐碱性较大，则要选择适合盐碱地的耐腐蚀性较强的接地材料。如果计算出来的接地电阻达不到规范要求，则要根据项目情况，选取经济性好的降阻措施。
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