光伏电站安全论：从“被动”到“主动”

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。本文通过分析对比传统集中式与组串式两种不同的电站解决方案，揭示组串式智能光伏电站由“被动安全”向“主动安全”转变的优势所在。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。
　　
　　
　　

　　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：
　　
　　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；
　　
　　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。
　　
　　

　　
　　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。
　　
　　

　　
　　图3 直流拉弧引起的烧毁事故
　　
　　
　　
　　图4 山地电站起火事故

　　
　　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。
　　
　　

　　
　　图5 直流汇流箱接线端子烧毁现象

　　
　　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。
　　
　　
　　

　　图6 农渔光互补光伏电站

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。
　　
　　另外组串式智能光伏解决方案无需逆变器房，减少对植被及土壤等环境破坏，土建设施减少，施工安全系数增加；电磁辐射小，保护人体健康；需维护的设备减少，故障点也更少。智能光伏电站实现了人与环境的和谐共处，大大增加了光伏电站的适用范围，为光伏入户创造了条件。
　　
　　光伏电站的安全问题已上升为中国能源战略的大问题。去年8月份，在大型光伏电站高效可靠运营与发电增效研讨会上，国家发改委能源研究所研究员王斯成就表示，在走访西部大量电站后发现，很多电站在运行一段时间后存在着大量问题。而电站质量直接影响到电站的收益，这也是为什么目前银行对投资电站有顾虑的重要原因。然而目前电站开发商对这一问题却没有足够重视。
　　
　　随着国内光伏电站配额的大幅增加和建设周期的逐渐缩短，很多电站的建设速度也相应加快，加之某些地方备案手续的严重滞后，由光伏电站事故所引起的财产损失，已成为一个不容忽视的战略性问题，光伏电站，尤其是地面大型电站的运行安全更显得非常重要。而传统的被动安全已经远远不能避免电站的事故发生，因此从建站、施工、运维、管理到产品的主动安全的概念慢慢的形成并不断的完善。且由“被动安全”到“主动安全”的过程中，将能为光伏电站的25年使用寿命提供坚实的保障。