中國儲能網(wǎng)訊：安全是光伏電站的命脈，也是取得投資回報的根基所在，對光伏電站意義重大。本文通過分析對比傳統(tǒng)集中式與組串式兩種不同的電站解決方案，揭示組串式智能光伏電站由“被動安全”向“主動安全”轉(zhuǎn)變的優(yōu)勢所在。筆者查閱德國“Mannheimer Versicherung保險公司”在光伏領(lǐng)域的實際業(yè)務(wù)的數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)：光伏電站中火災事故以32%的賠償金額占比排名第一，雷擊過電壓事故以30%的賠償金額占比緊隨其后。但是火災事故數(shù)量僅占比2%，排名最后，這也表明了火災事故造成的損失遠遠高于其它事故。實際上，光伏電站并非洪水猛獸，和家用電力體系一樣，都是存在一定風險但可以通過各種防護措施將事故發(fā)生率降至無限趨近于零的。業(yè)內(nèi)人士建議針對光伏電站安全“痛點”進行有針對的解決問題，從根源上避免隱患，將不知何時就會引爆的“不定時炸彈”徹底清理出去。這就是所謂的從被動安全到主動安全的轉(zhuǎn)變。
“燒焦”的蘋果：損失的不只是光伏電站
近日，近日，蘋果公司一直引以為傲的位于亞利桑那Mesa的數(shù)據(jù)中心工廠屋頂突然起火，現(xiàn)場濃煙四起。據(jù)媒體報道，蘋果公司電站的起火點似乎是裝貨碼頭倉庫對面大樓的屋頂光伏組件。據(jù)了解，Mesa消防局共出動了100多名消防員，花了約35分鐘撲滅大火。
許多電站業(yè)主在震驚之余，也對光伏電站的安全性的提起了重視。在霧霾成為人們“心肺之患”的今天，變革傳統(tǒng)能源結(jié)構(gòu)、發(fā)展太陽能等清潔能源的呼聲愈發(fā)迫切，近幾年我國光伏產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅猛，現(xiàn)今國內(nèi)光伏累計裝機容量已超過28GW，并以每年大于10GW的速度增長，光伏電站建設(shè)迎來了前所未有的投資機遇，但安全問題卻成為光伏行業(yè)發(fā)展的一大阻礙，事故發(fā)生后，即使是在尚未弄清事故原因的情況下，蘋果股價依然大受影響。
多位分析人士指出，此次火勢似乎不輕，現(xiàn)場可能沒有安裝煙感或溫感傳感器，要么是安裝了卻失靈。另外，也有人認為是監(jiān)控系統(tǒng)未能實現(xiàn)組件級、甚至組串級監(jiān)控，因為如果監(jiān)控系統(tǒng)可準確捕捉的話，那么把火災消滅在發(fā)展階段并不難。此次蘋果光伏電站起火的事故，給廣大電站業(yè)主、EPC敲響了警鐘。
火災之痛：3%事故率占賠償金額32%
隨著光伏電站建設(shè)規(guī)模逐步擴大，如何提高電站的安全性，如何將各種安全隱患防范于未然，也已成為電站業(yè)主們首要考慮的問題。筆者查閱德國“Mannheimer Versicherung保險公司”在光伏領(lǐng)域的實際業(yè)務(wù)的數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)：光伏電站中火災事故以32%的賠償金額占比排名第一，雷擊過電壓事故以30%的賠償金額占比緊隨其后。但是火災事故數(shù)量僅占比2%，排名最后，這也表明了火災事故造成的損失遠遠高于其它事故。光伏電站的各類事故不僅給業(yè)主造成了巨大的經(jīng)濟效益損失，也給光伏行業(yè)的發(fā)展帶來極大的負面影響，阻礙了投資者進入光伏行業(yè)的步伐。
圖1 光伏電站事故數(shù)量及賠償評估
安全是電站的第一生產(chǎn)力，電站的首要任務(wù)是安全可靠，不能對財產(chǎn)和人身安全造成威脅這是電站運營最基本的訴求，片面追求低成本，在我國西部大批“金太陽”項目中造成的損失已不言而喻，隨著時間的推移，因“低成本”而伴生的光伏電站質(zhì)量問題也將會越來越突顯。
隱患的背后不禁讓筆者聯(lián)想起兩年前曾走訪青海格爾木某光伏電站時該電站投資人的擔憂。彼時，當筆者問到為什么該電站不能投入運營，他說：“如果投運，很有可能跟對面的某電站一樣，會產(chǎn)生自燃。除了趕工期所導致的調(diào)試工作沒有做到位以外，更多的則是并網(wǎng)設(shè)備的質(zhì)量造成的”。該負責人所提到的并網(wǎng)設(shè)備就是指逆變器?！半m然大多數(shù)問題集中在升壓和強電部分，但不少問題都跟逆變器相關(guān)，比如輸出電壓等級是否符合國網(wǎng)要求、是否具備低電壓穿越保護等。也正是因此，逆變器的質(zhì)量問題比較突出?！?
逆變器的問題主要集中在標準、技術(shù)規(guī)范是否按照國網(wǎng)的要求去做，也多與相關(guān)標準缺失有關(guān)，比如逆變器電壓輸出幅度太寬，700V進直流，200V交流出，缺少相關(guān)規(guī)范和要求，也讓設(shè)備企業(yè)無所適從。目前各逆變器廠家技術(shù)路線不同、技術(shù)標準不同，又缺乏橫向技術(shù)交流，國內(nèi)對于35KV以下的串并結(jié)構(gòu)以及電氣配套設(shè)備又都是非標準化的，因此出現(xiàn)問題很正常。當然，這些給業(yè)主帶來的損失以及影響也是非常嚴重的。
從“被動”到主動：光伏電站安全性的進化
針對國內(nèi)光伏電站出現(xiàn)的一系列安全事故，筆者曾在多個場合與技術(shù)專家作了較為深入的了解。在筆者走訪多個電站得到最多的答案是“建站方案的設(shè)計先天不足”，而具體到安全原則則是只能對事故節(jié)點采取“被動”保護，而幾乎不全方面考慮光伏電站安全性。比如我們采用的熔絲方案、監(jiān)控手段都是被動的進行安全保護，只有電站出問題了，才會發(fā)現(xiàn)故障告警，甚至因為不能及時發(fā)現(xiàn)故障而造成上文提到的嚴重事故。
實際上，光伏電站并非洪水猛獸，和家用電力體系一樣，都是存在一定風險但可以通過各種防護措施將事故發(fā)生率降至無限趨近于零的。業(yè)內(nèi)人士建議針對光伏電站安全“痛點”進行有針對的解決問題，從根源上避免隱患，將不知何時就會引爆的“不定時炸彈”徹底清理出去。這就是所謂的從被動安全到主動安全的轉(zhuǎn)變。
目前國內(nèi)主流的組串式智能光伏解決方案中，在規(guī)模使用的大型地面項目中，很好的實現(xiàn)了這點。那么何為主動安全？筆者經(jīng)過總結(jié)，概況了光伏電站事故多發(fā)的“被動”原因以及“主動”修改方案：
1、直流拉弧可能引發(fā)火災并難以撲滅，改為變直流為交流，主動減少高風險的高壓直流系統(tǒng)；
2、熔絲維護困難，增加安全隱患，改為有熔絲到無熔絲的設(shè)計；
3、PID效應可能造成電擊，引起上網(wǎng)，采用專利PID技術(shù)方案，主動解決人身安全隱患；
4、智能管理系統(tǒng)，實現(xiàn)以高精度的組串級監(jiān)控，主動識別風險，防患于未然。
變直流為交流，主動減少高風險的高壓直流系統(tǒng)
為了更好的理解變直流為交流，首先來了解一下兩種電站方案的結(jié)構(gòu)。傳統(tǒng)集中式電站包含直流匯流箱、直流配電柜、逆變器等三個高壓直流設(shè)備，而智能光伏電站只有逆變器一個直流設(shè)備，大大減少了高風險的高壓直流系統(tǒng)，代之以安全的低壓交流系統(tǒng)。更重要的是縮短了直流線纜傳輸距離，大幅降低了因直流故障造成的隱患。
圖2 傳統(tǒng)集中式電站和智能光伏電站對比
據(jù)統(tǒng)計，光伏電站中的火災事故80%以上是由直流側(cè)故障引起。對于傳統(tǒng)集中式電站，發(fā)生火災的原因主要有以下幾點：1）直流拉??；2）短路故障時，熔絲或斷路器不能及時斷開；3）大量的設(shè)計缺陷、劣質(zhì)物料及現(xiàn)場施工；4）故障相互影響，引起連環(huán)反應，匯流箱故障可能導致直流柜燒毀、直流柜故障可能導致逆變器燒毀。
拉弧是起火的重大風險來源，交流拉弧能夠在過零點處熄滅，而直流拉弧則必須一直燃燒出足夠的間距才能夠熄滅，因此直流拉弧引發(fā)的火災遠遠高于交流。傳統(tǒng)集中式電站因有直流匯流箱和直流配電柜，直流傳輸距離長，節(jié)點多，不可避免地增大了直流拉弧的概率。在屋頂電站和山地電站場景中，直流拉弧問題尤為突出，由于存在大量的草木等易燃物，一旦著火，損失將不可估量。
交流系統(tǒng)短路故障的保護相對很完善，交流故障由電網(wǎng)提供短路能量，一旦故障能保證足夠的能量使斷路器脫扣。
圖3 直流拉弧引起的燒毀事故
圖4 山地電站起火事故
另外，電站現(xiàn)場施工環(huán)節(jié)較多，施工質(zhì)量難以管控，壓線不良也是引起燒毀的一個重要原因。
圖5 直流匯流箱接線端子燒毀現(xiàn)象
在直流傳輸環(huán)節(jié)中增加熔絲、斷路器等保護器件只能是“被動”地進行保護，且存在大量的風險隱患。而降低直流傳輸環(huán)節(jié)和距離，減少事故發(fā)生節(jié)點，可實現(xiàn)“主動”安全。直流的安全傳輸與防護是重點，也是難點。智能光伏電站采用無直流匯流設(shè)計，省掉直流匯流箱、直流配電柜等直流匯流環(huán)節(jié)，組串輸出直接進入逆變器逆變?yōu)榻涣麟娺M行遠距離傳輸，主動規(guī)避直流傳輸帶來的安全問題，降低直流拉弧帶來的安全隱患，使電站更加安全。
從有熔絲到無熔絲設(shè)計
集中式1MW需要使用熔絲400個，每個熔絲與熔絲盒夾片之間有2個接觸點，每個熔絲盒與接線有2個接觸點。所以每個熔絲將有4個接觸點，集中式因使用了熔絲就有1600個直流節(jié)點。熔絲盒對線纜可靠安裝要求高，現(xiàn)場實際不容易做到，經(jīng)常出現(xiàn)接觸不良的現(xiàn)象，引起燒毀或者直流拉弧，是匯流箱著火的主要原因。
組串如有短路或嚴重遮擋，所有并聯(lián)組串均會反灌電流，并聯(lián)數(shù)量越多電流越大，所以需要“被動”地使用熔絲進行保護。由于直流保護能量來自于組件，一旦輻照不夠，雖然短路但也不能使熔絲熔斷，時間一長導致發(fā)熱起火。另外，熔絲是一種需要定期巡檢維護的產(chǎn)品，當其“超齡服役”，保護效果會大打折扣，在熔斷時可能產(chǎn)生噴弧，致使周圍的塑料著火。根據(jù)熔絲失效率統(tǒng)計的數(shù)據(jù)，熔絲的失效率符合隨工作年數(shù)逐年上升的趨勢，5年以后失效率超過15%。熔絲的高失效率，不僅造成了高額的發(fā)電量損失，也為電站安全增加了運維難度。
組串式智能光伏逆變器采用2串組件并聯(lián)，即使有一串發(fā)生短路故障，反灌電流最大也不會超過10A，均在直流線纜和光伏組件承受范圍以內(nèi)（42mm直流電纜載流能力大于30A，組件耐受反灌電流15A），安全性較高。這種無熔絲的組串設(shè)計方案，不僅從源頭解決了組件和線纜的保護問題，而且徹底根除了因使用熔絲帶來的安全風險和失效損失
專利PID技術(shù)方案，主動解決人身安全隱患
當前，PID效應導致的組件功率衰減問題越來越嚴重。傳統(tǒng)集中式電站為防止PID問題，輸入PV-通過熔絲接地。這樣PV+與PE之間會形成高壓，若不小心觸碰電池板正極，會導致人員被電擊，嚴重的將造成傷亡事故，且無法通過附加裝置避免。同時電池板正極或組串間電纜產(chǎn)生接地故障，會通過地線產(chǎn)生故障電流或產(chǎn)生電弧放電，存在著火隱患。
特別在一些特殊場景，比如漁光互補的電站，經(jīng)常會有非專業(yè)人員進行勞作，安全問題成為該類型電站首要的考慮因素。該類電站環(huán)境濕度大，鹽霧高腐蝕，組件的PID衰減嚴重，為了保證收益，必須進行PID防護。同時在這種高濕的情況下電池支架和組件漏電的可能性大大增強，人在坐在船上或站在潮濕的地面上對地阻抗很小，若維護人員不小心觸碰到漏電部位，就會直接造成人員電擊傷亡事故。
圖6 農(nóng)漁光互補光伏電站
而組串式智能光伏電站，通過在系統(tǒng)中設(shè)置虛擬正壓電路，實現(xiàn)所有電池板負極對地正電壓，安全規(guī)避PID效應。同時智能殘余電流檢測RCD及電路切斷，主動防止觸電并隔離實現(xiàn)了保護人身安全。
智能管理系統(tǒng)，高精度組串監(jiān)控，主動識別風險防患于未然
基于組串的智能光伏電站對輸入的每一路組串進行獨立的電壓電流檢測，檢測精度是傳統(tǒng)智能匯流箱方案的10倍以上，為準確定位組串故障，提高運維效率奠定了基礎(chǔ)。通過將智能逆變器作為高精度傳感器，實現(xiàn)精細化監(jiān)控管理，主動識別風險，及時主動將組串級的監(jiān)控信息上傳管理系統(tǒng)，方便運維人員快速定位故障信息，無需運維人員巡檢，實現(xiàn)高效快速安全的光伏電站管理。同時智能光伏解決方案簡化了通訊方式，可采用PLC通訊、無線4G傳輸，實現(xiàn)電站通訊的簡潔可靠，相比傳統(tǒng)的RS485和光纖通信，使傳輸更安全。智能光伏解決方案將電站信息存儲在遠程服務(wù)器端，并設(shè)有多層權(quán)限管理，以保障信息存儲安全。
另外組串式智能光伏解決方案無需逆變器房，減少對植被及土壤等環(huán)境破壞，土建設(shè)施減少，施工安全系數(shù)增加；電磁輻射小，保護人體健康；需維護的設(shè)備減少，故障點也更少。智能光伏電站實現(xiàn)了人與環(huán)境的和諧共處，大大增加了光伏電站的適用范圍，為光伏入戶創(chuàng)造了條件。
光伏電站的安全問題已上升為中國能源戰(zhàn)略的大問題。去年8月份，在大型光伏電站高效可靠運營與發(fā)電增效研討會上，國家發(fā)改委能源研究所研究員王斯成就表示，在走訪西部大量電站后發(fā)現(xiàn)，很多電站在運行一段時間后存在著大量問題。而電站質(zhì)量直接影響到電站的收益，這也是為什么目前銀行對投資電站有顧慮的重要原因。然而目前電站開發(fā)商對這一問題卻沒有足夠重視。
隨著國內(nèi)光伏電站配額的大幅增加和建設(shè)周期的逐漸縮短，很多電站的建設(shè)速度也相應加快，加之某些地方備案手續(xù)的嚴重滯后，由光伏電站事故所引起的財產(chǎn)損失，已成為一個不容忽視的戰(zhàn)略性問題，光伏電站，尤其是地面大型電站的運行安全更顯得非常重要。而傳統(tǒng)的被動安全已經(jīng)遠遠不能避免電站的事故發(fā)生，因此從建站、施工、運維、管理到產(chǎn)品的主動安全的概念慢慢的形成并不斷的完善。且由“被動安全”到“主動安全”的過程中，將能為光伏電站的25年使用壽命提供堅實的保障。
