楊吉洲 黃世清 李新軍

摘 要：在屋頂光伏電廠（站）運行中，直流發(fā)電系統(tǒng)是非常重要的組成部分，直流發(fā)電系統(tǒng)部分是否安全可靠，直接影響著整個發(fā)電廠的安全運行。某項目位于廣州市黃埔區(qū)某物流園，總面積約11萬m2，光伏組件鋪設方式為沿彩鋼瓦大面積平鋪，密集緊湊?，F(xiàn)通過分析該項目分布式光伏電站直流發(fā)電系統(tǒng)中存在的問題，結合實際情況，進行整改優(yōu)化，從而降低故障發(fā)生率，減少故障處理導致的電量損失與經(jīng)濟損失，提高設備運行的穩(wěn)定性，增加電廠的經(jīng)濟效益。

關鍵詞：直流發(fā)電系統(tǒng);高溫潮濕環(huán)境;短路故障;防拉弧

0 引言

迄今為止，太陽能的開發(fā)和利用已經(jīng)歷了幾十年的發(fā)展，逐漸成為綠色領域的前沿技術[1]。光伏組件中的電池熱斑效應是一個能嚴重破壞光伏組件中的光伏電池，并影響組件發(fā)電性能的不利因素。嚴重的熱斑效應可導致電池局部燒毀或形成暗斑、焊點熔化、封裝材料老化或蓋板玻璃炸裂等永久性損壞，降低光伏組件輸出功率，縮短使用壽命[2]。

某項目位于廣州市黃埔區(qū)某物流園，總面積約11萬m2，光伏組件鋪設方式為沿彩鋼瓦大面積平鋪，密集緊湊。該項目地處熱帶，屬于熱帶季風氣候，旱雨季明顯，雨季降水量大，常年高溫潮濕。受周邊環(huán)境因素影響，在該分布式光伏電站日常運行過程中，光伏組件至逆變器之間的直流輸電系統(tǒng)會發(fā)生電纜老化、組件連接頭制作工藝不達標等導致的短路故障。然而，運行人員在監(jiān)視設備運行狀態(tài)時，并不能立即發(fā)現(xiàn)短路故障，而是需要檢修人員現(xiàn)場檢查電流、電壓后才能確認，對故障處理所需時間拖延較久，嚴重影響電力生產的安全運行。

2017年8月17日，該項目分布式光伏電站光伏發(fā)電設備在運行過程中發(fā)生MC4接頭短路拉弧，擊穿彩鋼瓦屋面，造成彩鋼瓦屋頂隔熱棉碳化2～3 m2后自行熄滅，屋頂下方為儲物倉庫，所幸未造成惡劣影響。若后續(xù)再次發(fā)生同類事件，造成重大事故，經(jīng)濟損失將無法估量。為了保障發(fā)電設備的正常運行，避免不必要的經(jīng)濟損失，對分布式光伏電站直流發(fā)電系統(tǒng)進行調查，根據(jù)調查統(tǒng)計結果，并結合現(xiàn)場實際情況，對直流絕緣監(jiān)測系統(tǒng)進行技術改造與升級。

由圖1可知，該項目分布式光伏電站2017年發(fā)生MC4接頭短路拉弧故障5次，2018年發(fā)生MC4接頭短路拉弧故障3次，2019年發(fā)生MC4接頭短路拉弧故障4次，2020年發(fā)生MC4接頭短路拉弧故障3次，年均發(fā)生MC4接頭短路拉弧故障4次。因此，對該項目分布式光伏電站進行整改優(yōu)化，從而降低故障發(fā)生率，減少故障處理所帶來的電量損失與經(jīng)濟損失，提高設備運行穩(wěn)定性，增加電廠經(jīng)濟收益，已經(jīng)迫在眉睫。

1 直流發(fā)電系統(tǒng)故障調研分析

光伏系統(tǒng)工作在直流高電壓和大電流下，線纜絕緣老化、連接受潮、接觸器接觸不良、磨損、腐蝕或機械壓力導致的松動、靠近熱源等都會產生直流電弧[3]。因此，有必要進行項目質量控制，避免屋頂因光伏系統(tǒng)施工而發(fā)生漏水，以及光伏組件、匯流箱等電氣設備發(fā)生短路燃燒，給電站帶來不必要的損失[4]。

通過對分布式光伏電站直流發(fā)電系統(tǒng)進行實地調查，并對檢修臺賬記錄情況及運行數(shù)據(jù)展開綜合統(tǒng)計分析，發(fā)現(xiàn)設備在高溫潮濕環(huán)境，特別是雨季或臺風過后，組件連接頭制作工藝不達標更容易發(fā)生直流絕緣損壞拉弧等故障，嚴重影響電廠的安全穩(wěn)定運行。詳細分析如下：

（1）該項目坐落于廣東省廣州市黃埔區(qū)某物流園，屬于熱帶地區(qū)，且雨季降水量大，常年高溫潮濕。直流發(fā)電設備鋪設在屋頂，電力電纜的鋪設環(huán)境非常惡劣，電纜絕緣層容易老化腐蝕。

（2）該項目臨近工業(yè)地區(qū)，工業(yè)污染較嚴重，每年定期組織兩次光伏組件清洗，容易對組件連接部分造成接觸不良、開路、短路影響;而組件鋪設緊湊，直流電纜以及MC4接頭清洗過程中，電纜絕緣層易受潮造成接觸不良。

（3）該項目由于面積大、設備數(shù)量多、巡檢費時費力、運維人員短缺，傳統(tǒng)監(jiān)控系統(tǒng)定位故障效率低，無法有效避免直流電弧問題。

2 直流系統(tǒng)升級改造

2.1 ? ?改造目標

在直流系統(tǒng)中，若發(fā)生絕緣老化或破壞、金屬接頭松動、高壓線路開路或接地等故障，都可能伴隨直流電弧的產生。電弧是電導體間明亮的放電，通常具有很高的溫度，容易使故障范圍迅速擴大，從而損壞導線絕緣，點燃附近的可燃物，進而引發(fā)火災甚至發(fā)生爆炸，威脅供電電源和控制電路的安全[5]。為了減少光伏組件與逆變器之間的連接線，提高運行可靠性，方便系統(tǒng)維護，可在光伏組件與逆變器之間增加直流防雷匯流裝置[6]。

經(jīng)過現(xiàn)場實際調查，深入研究分析后決定從解決直流側拉弧問題入手，加強技術改進與投入，減少設備故障的發(fā)生。

同時，改造后系統(tǒng)發(fā)生故障時應能及時預警和控制，合力爭取把故障造成的損失降到最低，保證屋頂光伏電站運行的安全穩(wěn)定。

2.2 ? ?實施方案

直流電弧可以看作一個非線性電阻，電弧的伏安特性表現(xiàn)出非線性和反比例特性。直流電弧的電氣特性對間隙距離的依附性較大。電弧平均電流隨間隙距離增大而線性減小，且隨著電極直徑的增加，電弧電流總體呈現(xiàn)減小趨勢，當電極直徑較小時，電極直徑增加，電弧電流減小趨勢比較明顯，但隨著電極直徑的不斷增加，電弧電流減小趨勢將變得不再明顯。

電極移動速度對電弧發(fā)展過程有較大影響，電弧電流突變隨著移動速度的增加而增加。另外，直流電弧電流中存在的高頻分量主要集中在150 kHz以下[5]。

某物流園B區(qū)光伏項目因直流電弧故障導致屋頂彩鋼瓦出現(xiàn)破損，使用防拉弧箱后，可以針對光伏電站中頻發(fā)的串聯(lián)電弧及接地電弧進行有效的識別及切斷保護動作，保證光伏系統(tǒng)穩(wěn)定、安全。防拉弧箱經(jīng)測試后可以穩(wěn)定運行。

該光伏項目屋頂采用華為逆變器，防拉弧箱安裝在B7-04NB號逆變器與光伏組件之間。現(xiàn)場進行了兩個部分的測試，第一個部分是對于串聯(lián)電弧的測試，第二個部分是對于接地電弧的測試。

2.2.1 ? ?防拉弧箱安裝

防拉弧箱使用35 mm導軌進行固定安裝，導軌與支架采用？準8 mm螺栓與螺母進行固定。

2.2.2 ? ?串聯(lián)電弧檢測

串聯(lián)電弧檢測使用UL 1699B認證中規(guī)定的串聯(lián)電弧發(fā)生器進行。電弧發(fā)生器串聯(lián)接入逆變器的組串中，此次試驗針對B7-04NB的8個組串均進行測試。

進行串聯(lián)電弧測試需要完成以下幾個步驟：

（1）關閉逆變器電源開關，將電弧發(fā)生器接入系統(tǒng)中。

（2）打開逆變器電源開關，使逆變器正常工作。

（3）轉動電弧發(fā)生器的橫向調節(jié)裝置，使電弧發(fā)生器產生直流電弧。

（4）電弧主機執(zhí)行脫扣動作，并將故障通道顯示在屏幕上。

串聯(lián)電弧測試結果：現(xiàn)場針對防拉弧箱內8個組串分別進行串聯(lián)電弧測試，測試結果均通過。

2.2.3 ? ?接地電弧檢測

接地電弧檢測使用外皮破損的直流電纜線直接碰觸系統(tǒng)接地端，模擬現(xiàn)場極易發(fā)生的接地電弧擊穿彩鋼瓦屋面的情況。

進行接地電弧測試需要完成以下幾個步驟：

（1）關閉逆變器電源開關，將破損線纜接入系統(tǒng)中。

（2）打開逆變器電源開關，使逆變器正常工作。

（3）用破損線纜觸碰系統(tǒng)接地端，并伴隨火花聲。

（4）電弧主機執(zhí)行脫扣動作，并將故障通道顯示在屏幕上。

接地電弧測試結果：現(xiàn)場針對防拉弧箱內8個組串分別進行接地電弧測試，測試結果均通過。

2.2.4 ? ?后臺報警與通信

當防拉弧箱發(fā)現(xiàn)電弧存在并驅動分勵脫扣器后，系統(tǒng)后臺可觀測到逆變器狀態(tài)發(fā)生改變，并出現(xiàn)報警信息。因為防拉弧箱內還接入了智能網(wǎng)關模塊，所以傳輸效率及可靠性高，中控室后臺能及時無誤地收到信號。

在故障發(fā)生后，及時而準確地確認故障支路與故障類別，是十分必要的，它直接影響到故障的處理速度和經(jīng)濟損失。

在直流發(fā)電系統(tǒng)中也是一樣，改造后，當支路發(fā)生接地故障時，可以在確定支路回路的同時顯示出故障類別，讓值班員對故障情況有一定的了解，也讓檢修效率有了較大提升。

3 整改效果與效益分析

3.1 ? ?整改效果

2020年6月，該項目開始著手對屋頂光伏電站防拉弧技術進行整改升級，截至9月份，202臺逆變器已全部整改完成。此次屋頂光伏電站直流側防拉弧改造技術的應用，不僅可以提高運維質量，降低運維成本，及時發(fā)現(xiàn)、杜絕安全隱患，延長設備使用壽命，還可以為電站運營帶來巨大的經(jīng)濟效益。

3.2 ? ?效益分析

3.2.1 ? ?改造前

單臺逆變器價值1.68萬元，約（5+3+4+3）/4×1.68=

6.3萬元。

每年損失發(fā)電量約0.5萬kW·h，約0.5×1.13=0.565萬元。

間接破壞的屋面需800元修復一個點，造成損失（5+3+4+3）/4×0.08=0.3萬元。

3.2.2 ? ?改造成本

單個方陣改造所需材料：1個箱體、1個防雷器、1個主控模塊、2只電弧傳感器、2只熔斷器、9套接插件、25 m 1×4線材、1套輔材、1套成材。

單臺逆變器改造成本：1×480+1×120+1×450+2×130+2×12+9×10+25×10+1×200+1×250=2 124元。

則202臺逆變器改造總成本合計：2 124×202=429 048元。

3.2.3 ? ?改造后

直接經(jīng)濟效益：由項目電站結算單可知，單臺逆變器1.68萬元左右，202臺逆變器總價格在340萬元左右;光伏組件總計35 094塊，總價值約3 132萬元。上述加裝防拉弧箱的技術改造，能為公司帶來直接的設備安全的經(jīng)濟效益約3 472萬元。

4 結語

綜上所述，此次針對光伏組件直流發(fā)電系統(tǒng)拉弧問題進行的升級改造，達到了預期效果，可靠保證了光伏電廠直流系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行，并延長了設備的使用壽命，有效減少了故障處理時間與人工成本，大大降低了生產成本及光伏發(fā)電直流系統(tǒng)的故障發(fā)生率，切實提高了光伏發(fā)電量及設備完好利用率。

[參考文獻]

[1] 張藍宇，李俊，歐陽進，等.大型建筑屋頂分布式光伏發(fā)電項目的研究與應用[J].湖南電力，2019，39（6）：34-37.

[2] 李世民，喜文華.光伏組件熱斑對發(fā)電性能的影響[J].發(fā)電設備，2013，27（1）：61-63.

[3] 朱立春，張躍火，張顯立.基于光伏直流電弧故障的研究與保護技術[J].電器與能效管理技術，2018（10）：35-39.

[4] 吳志杰，李春龍.屋頂分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)的經(jīng)濟性分析[J].太陽能，2017（4）：58-62.

[5] 劉源，汲勝昌，祝令瑜，等.直流電源系統(tǒng)中直流電弧特性及其檢測方法研究[J].高壓電器，2015，51（2）：24-29.

[6] 江林.屋頂并網(wǎng)分布式光伏發(fā)電技術方案應用探討[J].電工技術，2018（11）：139-141.

收稿日期：2021-07-22

作者簡介：楊吉洲（1983—），男，甘肅張掖人，助理工程師，研究方向：水利電氣技術。