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科普 | 直流高压——分布式安全的痛点!

直流高压—分布式安全的痛点

一提起太阳能,在最初的几年大家先想到是太阳能热水器,而现在更多的想到的是太阳能光伏发电,可见光伏已经逐渐加入大众视野。光伏进入家庭,实实在在来到了老百姓身边,不仅是家庭能源的补充,倡导绿色能源,甚至可以成为一种扶贫方式,一个投资项目。然而,光伏还是一个相对新的行业,所以在前期飞速发展的时候,很多问题会被忽视,其中最重要的是安全问题。此篇文章我们就一起来讨论一下,光伏系统不安全的主要原因及相关解决方案。

直流高压带来的问题

根据德国某著名保险公司在光伏领域的实际业务的数据中可以得出:光伏电站的过电压和火灾事故数量占到总量50%以上,一旦发生,所带来的经济效益损失巨大,且会危害用户的人身安全。

● 问题一:直流高压为什么会成为火灾隐患?

以下是一个光伏系统中直流电弧的演示实验,实验中模拟了系统功率约为2KW的串型逆变器光伏系统,当发生故障时,逆变器系统直流电弧现象:

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拉开线缆,电弧逐渐产生,并且越来越强烈。电压表示数上升,且温度可达4200多度。

● 问题二:直流高压在火灾时消防员救火的最大障碍,为什么?

当装有光伏系统的房屋起火时,施救工作必须在保证消防员安全的基础上进行。一般来说,在靠近起火房屋之前,消防员会先切断所有电源。但如果屋顶装有光伏系统,那么只要光伏板暴露在阳光中,那么在一个阵列中600V~1000V的高电压就会存在,施救工作将会非常危险。

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图1 光伏系统600-1000V直流高压

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图2 光伏阵列外直流高压的隐患(红线)

相关国际规定

在相对成熟的光伏市场,针对于光伏系统,特别是建筑光伏都制定了非常严格的安全规定:

美国防火协会修改国家电气规范NE690.12:“住宅用光伏发电系统中,在紧急情况发生时,光伏系统交流并网端断开后,直流端电压最大不能超过80V。

● 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。

国外消防员对于装有光伏系统的房屋施救中有了一个新的准则“let it burn”。国外有正式“国家消防法规”出台,命令规定消防队员在对装有光伏系统的火灾进行施救时,需保持一个最小的安全距离。消防队员不得在小于安全距离的范围内进行施救工作。

如何解决/改善直流高压问题

目前市场上有以下解决方案:

方案一:微型逆变器方案

目前,在欧美等发达国家,越来越多的屋顶光伏系统都采用微型逆变器取代传统的组串型逆变器。微型逆变器为全并联电路设计,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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图3 微逆系统直流电压不会超过单一组件最大输出直流电压

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微逆的交流拉弧是自熄性的,不存在火灾隐患。

该方案的初始投资成本较高,但由于国外诸多安规限制,加上人工费用的节省,使得微型逆变器系统方案成本与组串逆变器系统基本持平,甚至由于10年的质保、易维护及多发电的优势,成为欧美国家民用系统(<10kW)的首选产品。

方案二:优化器方案

优化器系统具有组件级远程监控/关断/MPPT功能,虽然不能直接解决直流高压问题直流高压,但在发生火灾之后能够关断每块组件的直流输出,不会伤害消防员的人身安全。优化器系统整体成本较微型逆变器系统更低,后期易维护及多发电,受到美国和欧洲多个国家的欢迎。另外,该方案不仅可用于民用系统,也广泛应用于商用甚至大型地面电站中。目前国内包括阳光、华为、昱能科技多家逆变器企业相继推出自家品牌的功率优化器系列。

方案三:改良版组串逆变器方案

● 组串逆变器设计修改:直接装在组件支架上,缩短直流线尺寸,降低直流拉弧的可能性及减少用户接触直流高压电缆;

● 组串逆变器直流电缆外额外保护套,直流电缆不裸露;额外增加部分成本;

● 直流电缆超过1.5米间隔需安装物理性关断开关;

● 增加直流电弧监测装置及自动关断装置;

以上三种方案,客户可根据预算及自身诉求选择相关方案。

关于分布式建筑光伏的安全问题,直接关系到用户的人身财产安全,是我们需要持续关注的热点。

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