如何将光伏电站火灾风险降低至零 光伏电站安全论:“被动”到“主动”的进化(转)

安全是光伏电站的命脉,也是取得投资回报的根基所在,对光伏电站意义重大。笔者查阅德国“Mannheimer Versicherung保险公司”在光伏领域的实际业务的数据发现:光伏电站中火灾事故以32%的赔偿金额占比排名第一,雷击过电压事故以30%的赔偿金额占比紧随其后。但是火灾事故数量仅占比2%,排名最后,这也表明了火灾事故造成的损失远远高于其它事故。实际上,光伏电站并非洪水猛兽,和家用电力体系一样,都是存在一定风险但可以通过各种防护措施将事故发生率降至无限趋近于零的。业内人士建议针对光伏电站安全“痛点”进行有针对的解决问题,从根源上避免隐患,将不知何时就会引爆的“不定时炸弹”彻底清理出去。这就是所谓的从被动安全到主动安全的转变。

“烧焦”的苹果:损失的不只是光伏电站

近日,近日,苹果公司一直引以为傲的位于亚利桑那Mesa的数据中心工厂屋顶突然起火,现场浓烟四起。据媒体报道,苹果公司电站的起火点似乎是装货码头仓库对面大楼的屋顶光伏组件。据了解,Mesa消防局共出动了100多名消防员,花了约35分钟扑灭大火。

许多电站业主在震惊之余,也对光伏电站的安全性的提起了重视。在雾霾成为人们“心肺之患”的今天,变革传统能源结构、发展太阳能等清洁能源的呼声愈发迫切,近几年我国光伏产业发展迅猛,现今国内光伏累计装机容量已超过28GW,并以每年大于10GW的速度增长,光伏电站建设迎来了前所未有的投资机遇,但安全问题却成为光伏行业发展的一大阻碍,事故发生后,即使是在尚未弄清事故原因的情况下,苹果股价依然大受影响。

多位分析人士指出,此次火势似乎不轻,现场可能没有安装烟感或温感传感器,要么是安装了却失灵。另外,也有人认为是监控系统未能实现组件级、甚至组串级监控,因为如果监控系统可准确捕捉的话,那么把火灾消灭在发展阶段并不难。此次苹果光伏电站起火的事故,给广大电站业主、EPC敲响了警钟。

火灾之痛:3%事故率占赔偿金额32%
随着光伏电站建设规模逐步扩大,如何提高电站的安全性,如何将各种安全隐患防范于未然,也已成为电站业主们首要考虑的问题。笔者查阅德国“Mannheimer Versicherung保险公司”在光伏领域的实际业务的数据发现:光伏电站中火灾事故以32%的赔偿金额占比排名第一,雷击过电压事故以30%的赔偿金额占比紧随其后。但是火灾事故数量仅占比2%,排名最后,这也表明了火灾事故造成的损失远远高于其它事故。光伏电站的各类事故不仅给业主造成了巨大的经济效益损失,也给光伏行业的发展带来极大的负面影响,阻碍了投资者进入光伏行业的步伐。

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图1 光伏电站事故数量及赔偿评估
安全是电站的第一生产力,电站的首要任务是安全可靠,不能对财产和人身安全造成威胁这是电站运营最基本的诉求,片面追求低成本,在我国西部大批“金太阳”项目中造成的损失已不言而喻,随着时间的推移,因“低成本”而伴生的光伏电站质量问题也将会越来越突显。
隐患的背后不禁让笔者联想起两年前曾走访青海格尔木某光伏电站时该电站投资人的担忧。彼时,当笔者问到为什么该电站不能投入运营,他说:“如果投运,很有可能跟对面的某电站一样,会产生自燃。除了赶工期所导致的调试工作没有做到位以外,更多的则是并网设备的质量造成的”。该负责人所提到的并网设备就是指逆变器。“虽然大多数问题集中在升压和强电部分,但不少问题都跟逆变器相关,比如输出电压等级是否符合国网要求、是否具备低电压穿越保护等。也正是因此,逆变器的质量问题比较突出。”

逆变器的问题主要集中在标准、技术规范是否按照国网的要求去做,也多与相关标准缺失有关,比如逆变器电压输出幅度太宽,700V进直流,200V交流出,缺少相关规范和要求,也让设备企业无所适从。目前各逆变器厂家技术路线不同、技术标准不同,又缺乏横向技术交流,国内对于35KV以下的串并结构以及电气配套设备又都是非标准化的,因此出现问题很正常。当然,这些给业主带来的损失以及影响也是非常严重的。

从“被动”到主动:光伏电站安全性的进化

针对国内光伏电站出现的一系列安全事故,笔者曾在多个场合与技术专家作了较为深入的了解。在笔者走访多个电站得到最多的答案是“建站方案的设计先天不足”,而具体到安全原则则是只能对事故节点采取“被动”保护,而几乎不全方面考虑光伏电站安全性。比如我们采用的熔丝方案、监控手段都是被动的进行安全保护,只有电站出问题了,才会发现故障告警,甚至因为不能及时发现故障而造成上文提到的严重事故。
实际上,光伏电站并非洪水猛兽,和家用电力体系一样,都是存在一定风险但可以通过各种防护措施将事故发生率降至无限趋近于零的。业内人士建议针对光伏电站安全“痛点”进行有针对的解决问题,从根源上避免隐患,将不知何时就会引爆的“不定时炸弹”彻底清理出去。这就是所谓的从被动安全到主动安全的转变。

目前国内主流的组串式智能光伏解决方案中,在规模使用的大型地面项目中,很好的实现了这点。那么何为主动安全?笔者经过总结,概况了光伏电站事故多发的“被动”原因以及“主动”修改方案:
0.1、直流拉弧可能引发火灾并难以扑灭,改为变直流为交流,主动减少高风险的高压直流系统;
0. 2、熔丝维护困难,增加安全隐患,改为有熔丝到无熔丝的设计;
3、PID效应可能造成电击,引起上网,采用专利PID技术方案,主动解决人身安全隐患;
4、智能管理系统,实现以高精度的组串级监控,主动识别风险,防患于未然。

变直流为交流,主动减少高风险的高压直流系统
为了更好的理解变直流为交流,首先来了解一下两种电站方案的结构。传统集中式电站包含直流汇流箱、直流配电柜、逆变器等三个高压直流设备,而智能光伏电站只有逆变器一个直流设备,大大减少了高风险的高压直流系统,代之以安全的低压交流系统。更重要的是缩短了直流线缆传输距离,大幅降低了因直流故障造成的隐患。

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图2 传统集中式电站和智能光伏电站对比
据统计,光伏电站中的火灾事故80%以上是由直流侧故障引起。对于传统集中式电站,发生火灾的原因主要有以下几点:1)直流拉弧;2)短路故障时,熔丝或断路器不能及时断开;3)大量的设计缺陷、劣质物料及现场施工;4)故障相互影响,引起连环反应,汇流箱故障可能导致直流柜烧毁、直流柜故障可能导致逆变器烧毁。

拉弧是起火的重大风险来源,交流拉弧能够在过零点处熄灭,而直流拉弧则必须一直燃烧出足够的间距才能够熄灭,因此直流拉弧引发的火灾远远高于交流。传统集中式电站因有直流汇流箱和直流配电柜,直流传输距离长,节点多,不可避免地增大了直流拉弧的概率。在屋顶电站和山地电站场景中,直流拉弧问题尤为突出,由于存在大量的草木等易燃物,一旦着火,损失将不可估量。

交流系统短路故障的保护相对很完善,交流故障由电网提供短路能量,一旦故障能保证足够的能量使断路器脱扣。

另外,电站现场施工环节较多,施工质量难以管控,压线不良也是引起烧毁的一个重要原因。

在直流传输环节中增加熔丝、断路器等保护器件只能是“被动”地进行保护,且存在大量的风险隐患。而降低直流传输环节和距离,减少事故发生节点,可实现“主动”安全。直流的安全传输与防护是重点,也是难点。智能光伏电站采用无直流汇流设计,省掉直流汇流箱、直流配电柜等直流汇流环节,组串输出直接进入逆变器逆变为交流电进行远距离传输,主动规避直流传输带来的安全问题,降低直流拉弧带来的安全隐患,使电站更加安全。

从有熔丝到无熔丝设计
集中式1MW需要使用熔丝400个,每个熔丝与熔丝盒夹片之间有2个接触点,每个熔丝盒与接线有2个接触点。所以每个熔丝将有4个接触点,集中式因使用了熔丝就有1600个直流节点。熔丝盒对线缆可靠安装要求高,现场实际不容易做到,经常出现接触不良的现象,引起烧毁或者直流拉弧,是汇流箱着火的主要原因。

组串如有短路或严重遮挡,所有并联组串均会反灌电流,并联数量越多电流越大,所以需要“被动”地使用熔丝进行保护。由于直流保护能量来自于组件,一旦辐照不够,虽然短路但也不能使熔丝熔断,时间一长导致发热起火。另外,熔丝是一种需要定期巡检维护的产品,当其“超龄服役”,保护效果会大打折扣,在熔断时可能产生喷弧,致使周围的塑料着火。根据熔丝失效率统计的数据,熔丝的失效率符合随工作年数逐年上升的趋势,5年以后失效率超过15%。熔丝的高失效率,不仅造成了高额的发电量损失,也为电站安全增加了运维难度。

组串式智能光伏逆变器采用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(42mm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。这种无熔丝的组串设计方案,不仅从源头解决了组件和线缆的保护问题,而且彻底根除了因使用熔丝带来的安全风险和失效损失

专利PID技术方案,主动解决人身安全隐患
当前,PID效应导致的组件功率衰减问题越来越严重。传统集中式电站为防止PID问题,输入PV-通过熔丝接地。这样PV+与PE之间会形成高压,若不小心触碰电池板正极,会导致人员被电击,严重的将造成伤亡事故,且无法通过附加装置避免。同时电池板正极或组串间电缆产生接地故障,会通过地线产生故障电流或产生电弧放电,存在着火隐患。

特别在一些特殊场景,比如渔光互补的电站,经常会有非专业人员进行劳作,安全问题成为该类型电站首要的考虑因素。该类电站环境湿度大,盐雾高腐蚀,组件的PID衰减严重,为了保证收益,必须进行PID防护。同时在这种高湿的情况下电池支架和组件漏电的可能性大大增强,人在坐在船上或站在潮湿的地面上对地阻抗很小,若维护人员不小心触碰到漏电部位,就会直接造成人员电击伤亡事故。

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而组串式智能光伏电站,通过在系统中设置虚拟正压电路,实现所有电池板负极对地正电压,安全规避PID效应。同时智能残余电流检测RCD及电路切断,主动防止触电并隔离实现了保护人身安全。

智能管理系统,高精度组串监控,主动识别风险防患于未然
基于组串的智能光伏电站对输入的每一路组串进行独立的电压电流检测,检测精度是传统智能汇流箱方案的10倍以上,为准确定位组串故障,提高运维效率奠定了基础。通过将智能逆变器作为高精度传感器,实现精细化监控管理,主动识别风险,及时主动将组串级的监控信息上传管理系统,方便运维人员快速定位故障信息,无需运维人员巡检,实现高效快速安全的光伏电站管理。同时智能光伏解决方案简化了通讯方式,可采用PLC通讯、无线4G传输,实现电站通讯的简洁可靠,相比传统的RS485和光纤通信,使传输更安全。智能光伏解决方案将电站信息存储在远程服务器端,并设有多层权限管理,以保障信息存储安全。

小编有话说

逆变器的选型对于整个系统的安全性起着至关重要的影响。上文中所提到的使用集中式逆变器系统所存在的安全隐患还真是不小呢。相比而言,使用微型逆变器的光伏系统,着实叫人放心呢。

在微型逆变系统里,所有组件之间都是并联,不再有电压的叠加,仅有220V的交流线,消除了光伏电站直流高压线安全隐患。当交流侧电闸关闭时,交流端输出为0V,直流端电压仅为30V-40V (组件开路电压)。彻底消除了建筑光伏高压线安全隐患。美国现已正式出台文件规定:在光伏发电系统中,交流电闸关闭时,直流侧电压不应超过80V。此规定已于2014年通过,2017年将强制执行。

 

嘉兴科技城积极布局“标准化+”

“昱能科技的光伏发电系统,效率高、时间长,连阴雨天都能发电,蛮灵的!”不少客户使用了昱能科技的产品后,赞不绝口。在前不久工信部发布的符合《光伏制造行业规范条件》第五批企业名单中,来自嘉兴科技城的浙江昱能科技有限公司(逆变器)赫然在列。

作为2011年才创办的企业,短短几年就成长为行业的翘楚,这跟企业重视研发,尤其是矢志不移地向行业标准制定者的曲线高端进军大有关联。昱能科技的产品,不仅填补了国内光伏系统智能微型逆变器的空白,完成了三代产品的研发和产业化,而且在标准制定上同样走在前列。

“最近公司的产品并网光伏微型逆变器申报了浙江制造标准,就是要做该产品的标准制定者,另外像光伏系统用逆变器的安全要求、光伏系统用逆变器技术等多个标准项目或已完成送审,或正在立项,有望成为国家标准。这也意味着昱能科技在参与国家、行业、地方标准制定上将更进一步。”昱能科技相关负责人不无兴奋地表示。

一流的企业卖标准,二流的企业卖品牌,三流的企业卖产品。标准的制定权,历来是企业在市场竞争中争夺的制高点。而在嘉兴科技城,一大批制造企业,在用产品打开市场、用品牌赢得市场的同时,开始发力标准制定,真正实现引领市场的风潮。

谁拥有标准,谁就拥有更大的话语权。这几年,嘉兴科技城积极鼓励制造业企业参与标准制定,规划一批、培育一批、认证一批,围绕嘉兴科技城有核心竞争力的产业,以产业“单打冠军”、“隐形冠军”企业为龙头,以拳头产品、优势产品、成长型产品为基础,积极推进“标准化+”建设。

嘉兴科技城相关负责人表示,以标准话语权占领市场制高点,不仅提升了产品质量,更催生了新技术、新业态、新模式。在越来越多的企业成为“制标者”的同时,也让更多的企业见贤思齐、对标先进,实现结构调整和转型升级。(节选自嘉兴日报)

 

光伏扶贫应以户用及村级电站为主 逆变器选型是关键

近日,2016光伏领袖峰会暨中国光伏投融资论坛在杭州举行,会议上国家能源局孔涛博士明确指出户用和村级电站才是光伏扶贫支持的重点,村级电站指标给予保障,兆瓦级电站也可以支持。

光伏扶贫自国家大力推行以来,多个省市都在不断摸索、实践,从直接发放扶贫资金到提供一个有稳定收益的投资项目,使得广大贫困户每个月都获得一笔收益,改善生活。光伏扶贫契合国家精准扶贫的理念,建档立卡,精准到户。户用及村级电站项目具有建设用地所有权比较明确,不占用大片土地面积等优势,之后必成为光伏扶贫的重头戏。

在前不久,光伏扶贫之乡的金寨县组织对其23个乡镇建设的光伏扶贫电站进行了初验,查验结果反映了扶贫项目中存在的一些问题:支架、逆变器、运维问题较多。

对于户用及村级电站来说,系统往往安装在农户家的屋顶上或是院子里,相比之下,微型逆变器具有超高的安全性,非常适用于此类项目。贫困户家中一般留守的儿童、老人居多,安全意识不强,系统的安全保障就变得十分重要。集中式电站,光伏组件阵列和逆变器之间有数十米长的600V/1000V的高压直流线,可视为人身及建筑光伏安全隐患。而微型逆变器光伏系统仅有40V以下直流及常规220V的交流线,可以彻底消除了建筑光伏高压线安全隐患。

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贫困地区的屋顶分散、屋面条件差、专业人员缺乏等因素是构成运维的最大难点。整村的光伏系统需要有专项的运维资金和运维人员,进行日常监控和定期清洗。节约运维成本、引入智能化运维体系将是必然之选。微逆变器系统配置的能量控制器(ECU)可以实时监测每块组件及逆变器输出的电能及功率,并以图形化方式在计算机,手机等显示设备中形象展示系统的工作状况。当任意部件出现故障时,系统可以给出精确的故障部位及原因判定,同时自动切断故障部件,方便系统的运维管理。

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此外,采用微型逆变器的系统,每台逆变器对都具有独立的MPPT功能,将每块光伏组件的输出优化在最大功率点附近。由于没有‘短板’效应,对太阳能组件匹配没有要求,可以最大限度利用每块组件的输出,具有优良的抗阴影效应;加之启动电压低等特点,单日发电时间长,在阴雨天也能够少量发电,在与集中式逆变器系统长期比对后,证明微逆系统具有多达16%左右的电能产出优势。

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微型逆变器安全、易维护、多发电等多项优势都非常适合光伏扶贫项目,昱能科技诚邀广大合作伙伴共同开发光伏扶贫市场。

浙江省“光伏小康工程”企业名单公示 昱能科技成功入围

昨日,在浙江省“光伏小康工程”的招标活动中,昱能科技从全国100余家参与投标的EPC公司中脱颖而出,成功中标,成为最终入围的30家企业之一。

“浙江省光伏小康工程”是浙江省政府积极响应国家及习主席号召,重点关注、积极发展光伏扶贫事业,由省发起省级扶贫项目,由省扶贫办、省财政厅、省能源局、国网省电力公司联合实施。具体目标为:用5年时间在全省实施光伏小康工程,对29个县“4600元以下”共18万户低收入农户 和 2100个省级结对帮扶扶贫重点村进行光伏扶贫,由财政分别予以补贴,发电收入用于巩固消除“4600”成果,解决扶贫重点村集体经济收入薄弱的问题,进一步提高人民生活水平,提高浙江省综合实力。省财政补贴建设规模为84.6万千瓦,其中低收入农户按每户4千瓦计算共72万千瓦,省级结对帮扶扶贫重点村按每村60千瓦计算共12.6万千瓦。

此次,昱能科技入围政府持贫项目,是公司以EPC业务在省内成功中标的首个重大工程和政府项目。入围的30家企业中,昱能名列第11名。

昱能科技CEO凌志敏博士表示:“本次入围政府项目是公司整体实力的体现,特别是昱能在微逆领域的领先地位以及微逆在户用光伏应用上的显著优势,对昱能来说意义重大。昱能期待与更多光伏企业在本项目及其它项目上多方面的交流合作机会,进一步带动国内分布式光伏市场的发展。”