屋顶光伏不再是”火药桶“,组件级电力电子技术或成最佳解决方案

引言:2019年8月22日央视财经报道:美国沃尔玛超市在过去11个月里连续7个购物中心屋顶的光伏电站起火燃烧,沃尔玛控告美国特斯拉SolarCity全部拆除屋顶光伏电站并赔偿损失。2018年6月,特斯拉太阳能系统在加州雷德兰兹的亚马逊仓库起火。据悉,火灾发生后,亚马逊已经没有任何继续从特斯拉的太阳城子公司采购光伏发电系统的进一步计划。

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近年来,随着光伏的普及,越来越多的屋顶,披上了光伏的外衣。但无论是在国内还是国外,光伏电站着火的事件屡屡发生。在5月22日,全国能源信息平台的一篇题目为《当光伏屋顶变成“火药桶,谁来对BIPV安全负责?》引起热议。这到底是由于光伏电站的“先天缺陷”,技术壁垒等原因而导致的隐患,还是因为由于意识缺乏而亟待解决的问题呢?

对于光伏电站着火这件事在业内一直都是一个“敏感话题”,有人提出不该用这样的“小概率”事件,来阻碍整个行业前进的步伐。水火无情,“小概率”事件带来的灾害是及其严重的、无可挽回的。光伏的初衷是为人们带来绿色的能源,但只有安全可控的绿色能源才是值得去获取。根据权威机构报告显示,2019年全球光伏新增装机114.9GW,连续第三年突破100GW门槛,同比增长12%,光伏累计装机量达到627GW。在这样大的安装基数下,那么这样的“小概率”事件又会带来多大的危害呢?

什么是直流电弧,起因是什么?

直流电弧是一种气体放电现象,可以理解为绝缘情况下产生的高强度瞬时电流。在光伏电站的火灾中,据统计80%以上的电站着火是因为直流侧的故障引起的,由直流高压引起的电弧火花是光伏火灾的“元凶”。

实际电站中,太阳能组件以串列方式排成阵列,整串线路电压累计,一般可以达到600V~1000V的高压。在长年累月的运行中,接头没有拧紧导致的接触不良、接触件质量问题、运行时间久带来的绝缘部位老化等问题都会直接造成直流电弧现象、击穿空气,引发火灾。

不难看出,随着电站的运行时间增加,出现直流电弧的概率也会增加。不考虑其他接触件以及绝缘部位,在一个10MW的分布式电站中,光接触点便超过了80,000个,它们时刻存在发生直流电弧的可能性。即便在25年的电站运行时间中只有1/1000的接触点发生直流电弧,这个电站也会发生80次直流电弧事件。

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直流电弧对光伏电站的危害

跟交流电弧不一样的是,直流电弧没有过零点,意味着如果发生了直流电弧,触发部位会维持相当长一段时间稳定燃烧而不熄灭。直流电弧产生的高温轻易超过3000℃,能够直接导致起火。

应对直流高压出台的安规标准

在美国、欧洲、日本、澳洲等发达国家,对光伏系统中的直流高压问题已出台强制措施。美国NEC690.12中,对此快速关断做出了严格的要求——以距离到光伏矩阵305mm为界限,在快速关断装置启动后30S内,界限范围外电压降低到30V以下,界线范围内电压降低到80V以下,也就是要求实现“组件级关断”;意大利,消防员在建筑物带电压的情况下,是不可以进行灭火工作的;德国,率先执行VDE防火安全标准,明确规定在光伏系统中逆变器与组件之间需要增加一个直流电切断装置;澳大利亚,根据OVE R11-1: 2013规范,在组件附近必须有断路装置。

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当系统着火后,光伏电站本身就是一个“大电池”,只要有光照就会有直流高压的存在,消防队员便无法进行施救。

中国建筑装饰协会标准《光电建筑技术应用规程》:高压直流电弧是产生光伏系统火灾的主要原因,在发电系统设计时应尽量减少使用直流线路。直流系统电压不宜高于80伏。

浙江省市场监督管理局发布的«家庭屋顶光伏电源接入电网技术规范DB33/T 2189-2019»:光伏电源并网电气设备应符合GB 50054等国家相关技术标准,并满足日常运行、维护和检修的要求。根据GB/T3805和GB/T 18379相关规定,光伏电源应具备技术措施,在施工、维护和检修等情况下能够控制人体可能接触的直流部分电压在120V安全限值范围内。

中国建材检验认证集团股份有限公司最新发布实施的 CTS 13001—2018《户用并网光伏系统检测及评价》安装在屋顶上的户用并网光伏系统,当直流电压大于120V时,单块光伏组件或组串宜采用快速关断的方式控制危险直流电压。安装在屋顶上的户用并网光伏系统,当直流电压大于120V时,宜采用电弧故障检测、报警及处理系统。

嘉兴市光伏行业协会、嘉兴市家庭光伏应用联盟发布的《户用型分布式光伏并网发电系统技术规范》中规定:对于光伏系统中直流侧设计电压高于600V,禁止应用于户用分布式光伏系统。直流侧设计电压高于120V,不超过600V的系统,如暴露在组阵列之外的直流线缆长度超过1米时,必须安装光伏专用直流开关,能够在带载条件下手动物理切断组件电压或系统应具备组件级直流电压快速关断功能,切断直流母线高压 。

安徽省地方标准《建筑光伏系统防火技术规范》,也同样在反复强调高压直流危害,要求设计快速关闭装置能控制断开建筑光伏系统直流和交流电路。

作为世界第一光伏大国的中国,在此领域,尽管陆续出台了一些行业规范,但实质上仍未得到足够的认识。不难发现,在上述的安规文件中,多数均为指导意见、并未强制执行,安全规范的普及推广远远落后于产品的制造和推广。

直流高压的解决方案

1. 组件级关断器解决方案

光伏关断器是一种可实现组件级快速关断的装置。在危急情况下,通过该装置,可以远程或者手动快速关断每一块光伏组件之间的连接,从而消除光伏系统阵列中存在的直流高压,降低触电风险、解决施救风险,为光伏系统的安全“保驾护航”。

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昱能组件级关断器RSD与信号发生器Transmitter配套使用:transmitter作为信号主机,通过不断的发送心跳帧维持关断器RSD的正常工作。同时,系统在遇到紧急情况时,可以通过交流拉闸,停止Transmitter工作,从而通过关断器断开每一块组件的输出,保障系统的安全。昱能组件级关断器产品可与大多数品牌的组串式逆变器匹配,具有体积小、重量轻,安装方式简单便捷,使用安全可靠等诸多优势。

2. 微型逆变器解决方案

在组件级电力电子技术的应用中,微型逆变器系统为全并联电路设计,组件之间不再有电压叠加,直流电压小于60伏(不高于组件最高输出直流电压),彻底解决了由于高压直流拉弧引起火灾的风险,同时也解决了当房屋起火时,因光伏电站而阻碍了施救的问题。
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微型逆变器光伏系统正常运行时,交流并网电压220伏/380伏,属于家用电器级别安全等级。由此:

• 解决了高压直流拉弧引起火灾的风险;
• 不会对家用电器使用寿命造成影响;
• 不会对家庭用户造成触电风险;
• 由于其他意外故障发生时,可以通过干粉灭火剂救火,不会造成二次伤害;