邵强
中国水电建设集团武威光伏发电有限公司 甘肃武威 733016
摘要：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。
关键词：光伏电站；直流发电；保护配置
随着光伏电站在人们日常生活中投放的增多，中国光伏发电的总装机容量居全球首位。因此，其后期的运维也越来越重要。由于偏远无电地区、孤岛等国网无法到达的地方和急需清洁能源替代传统化石能源的不断枯竭状态，为了响应国家绿色能源等鼓励政策，我国建造了许多光伏发电站，包括离、并网光伏两种发电站。这些光伏电站，在长期的投运过程中需要进行监测、维护，才能及时避免光伏电站系统瘫痪和有效减少发电效率和电能质量的降低。
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。
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。
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。
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，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，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。
5光伏电站日常运行中的故障分析
5.1 光伏组件
光伏组件在长期运输和安装的过程中出现隐裂现象或者由于选址不当、落叶和鸟粪、灰尘等造成热斑效应或者出现裂纹。造成整块板子无电甚至至影响整组光伏方阵。
5.2 光伏直流电缆
光伏直流电缆是指连在光伏板与汇流箱、逆变器之间的线路，在长期日照或者地下掩埋下，由于雨、雪等天气会造成线路的老化和短路、断路等现象。
5.3 通讯故障
常见的通讯故障为通讯地址错误、通讯盒烧坏、通讯端口松弛、电源插头被拔掉、通讯接口积灰等，很容易造成通讯中断，难以监测到光伏电站时实运行状态。
5.4 逆变器故障
常见的逆变器故障可分为：交流侧无电流输出；直流侧电压不在设定的正常范围；开机无反应；逆变器发热；多台同时运行时报故障；漏电流；出厂电压参数低于国网电压脱网等。
5.5 蓄电池
蓄电池的运行年限一般是3～5年，成本还比较高。如果蓄电池组的长期闲置，特别易造就蓄电池的损毁。冬天外界温度过低，由于保暖措施不当，造成蓄电池组效率下降，使用年限变短。
5.6 无功补偿故障
并网时，由于逆变器、CT端接线问题等造成无功补偿不足或无功补偿退出等。
5.7 孤岛故障
光伏发电并网中，出现孤岛效应的前提如下：发电装置输出的功率与孤岛系统中的负荷相符合，即相位平衡时；电网因故障、维修、电压不稳定等因素造成供电中断；发电装置不能检测到孤岛效应（检测盲区或检测无效）等。
6 光伏电站的维护
光伏电站若要良好的运行，需要各个环节的设备完好且相互匹配。施工前，做好对光伏电站建立充足的前期调研，施工设计等工作。定期检测光伏电站系统中的各设备运行情况，如若发现故障或造成故障出现的安全隐患及时反馈并进行保养维护。
培养并配备专业技术人员对光伏电站进行维护。无论是独立光伏发电站还是并网光伏发电站的运行，都离不开专业技术人员的检测及维护。加强培养光伏领域的专技人员的专业知识、实践动手操作能力。
做好对光伏电站的远程监测管理工作。能够实时发觉电站运行过程里出现的故障等，及时启动应急装置，断开电路保护相关设备。运维人员根据远程监控的反馈内容，准备好相应的处理方案和工作进行检修操作，减少了不必要的人员来回路程浪费，缩短维修周期。
注意光伏电站四周环境卫生的清理。不遮盖光伏组件，并定期清洗光伏组件，注意防雷，增加发电的转化率。
参考文献
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