一、背景
伴隨碳達峰、碳中和成為2021年中國經(jīng)濟工作中的一項重要任務，光伏將承擔主力軍的角色,同時也將進入一個蓬勃發(fā)展的新時代?？梢灶A見，不管是地面電站，還是分布式電站，光伏的裝機量都將進入大規(guī)模增長的階段，但是與之而來的“安全問題”也越來越多，引起行業(yè)的關注和重視。
安全是光伏電站的命脈，也是取得投資回報的根基所在。不管在地面、山地、屋頂?shù)裙夥娬緢鼍?，安全幾乎是一票否決的原則問題。
二、電站發(fā)生火災的原因
火災，是光伏電站的最大安全隱患。據(jù)記者統(tǒng)計，光伏行業(yè)近3年內已有45起典型的火災事故。2020年2月2日，山西運城稷山縣太陽能光伏發(fā)電項目所在的山坡上發(fā)生火災；2018年4月19日，安徽銅陵某地面光伏電站發(fā)生火災，整個電站一片狼藉，組件基本被燒光，只剩下一些凌亂散落的金屬支架;2015年5月，蘋果公司一直引以為傲的位于亞利桑那Mesa的工廠屋頂突然起火，起火點是大樓屋頂?shù)墓夥M件，現(xiàn)場濃煙四起，光伏組件被燒毀……
樁樁件件觸目驚心！隨著光伏裝機容量的逐年攀升，逆變器、匯流箱、大電流組件以及應用場景越來越復雜，造成火災隱患上升。除了來自于外部原因的火災外，光伏系統(tǒng)自身的火災隱患更需引起重視。
2.1 設備演進，進一步帶來火災隱患
1）為進一步降低光伏電站LCOE，光伏組件呈現(xiàn)大功率、大電流趨勢。隨著硅片尺寸越來越大以及電池效率越來越高，組件電流不斷提高成為必然趨勢。我們看到，組件電流越來越大，逆變器功率或匯流箱對應的組串數(shù)量也不斷增加。
隨著光伏直流側系統(tǒng)功率和電流增大，于之而來的故障起火風險也越來越大。當發(fā)生故障時，在故障點產(chǎn)生的短路電流也相應的增大，根據(jù)焦耳定律Q=I2Rt可知，電流增大一倍，短路點熱效應增加4倍，起火的風險也極大的增加。未來光伏直流側功率將進一步增大，傳統(tǒng)方案的保護功能卻沒有得到任何的改進與升級，完全沒有跟上系統(tǒng)功率演進的節(jié)奏，這個問題的解決已經(jīng)到了刻不容緩的時候了。
2）光伏電站的應用場景越發(fā)多樣化。從荒漠走向農(nóng)光、漁光、山地、屋頂發(fā)展，涵蓋了光伏+建筑，光伏+農(nóng)業(yè)，光伏+山地，光伏+漁業(yè)等多個復雜場景。當光伏+越來越豐富的時候，火災就成為了最大的安全隱患。光伏電站一旦發(fā)生火災事故，不僅會損失電站成本、發(fā)電收益，嚴重時還會造成建筑及人身傷害。
正如大家常見的，秋末冬初，山地電站組件下方布滿枯草，山火引發(fā)的損失難以估量，因此電站對防火的要求必然更高；農(nóng)光電站、屋頂光伏等場景光伏組件通常布置在大棚或建筑物上方，且與人員的接觸更加緊密，線纜或逆變器短路引發(fā)的火災，將對人身財產(chǎn)安全產(chǎn)生極大的威脅。
2.2 防患于未然，當前系統(tǒng)方案無法應對未來發(fā)展
如上節(jié)所述，未來組件電流的增大、組串數(shù)量越來越多是大勢所趨。同時隨著逆變器功率密度的增加，電流反灌時的能量也愈發(fā)增大，進而導致組件-線纜-逆變器整個電站系統(tǒng)的安全風險增加。因此倒逼系統(tǒng)需要與時俱進，做出新的創(chuàng)新，來迎合這個趨勢，保障電站安全。
當前的集中式方案一般使用16/24路直流匯流箱將組件功率進行匯集，采用支路熔絲和匯流斷路器進行保護，因光伏組件短路電流僅為額定電流的1.1倍，無法達到熔絲和斷路器的保護電流，因此現(xiàn)有的直流保護器件均無法動作。具體原理如下：
如上圖的A點發(fā)生短路故障，紅色故障回路：QF1為匯流箱斷路器，額定電流500A，由于組件的短路電流在480A左右，QF1一直不會脫扣，持續(xù)輸出直流能量到故障點，維持電弧燃燒，擴大火災事故。
集中式由于直流回路長，匯流路數(shù)多，級聯(lián)路數(shù)多，除了上述短路故障點A外，匯流箱、匯流柜內等都可能發(fā)生類似故障情況，風險相較組串式將更大。
▲圖3 集中式逆變器因直流短路起火照片
而當前組串式方案雖然不存在匯流箱后端短路的問題，但是當逆變器內部出現(xiàn)極端故障時，如內部IGBT故障造成直流母線短路，逆變器因無法分斷直流輸入能量，大量的能量在故障點積累可能導致進一步的問題，嚴重一點的將發(fā)生炸機、起火等事故。
逆變器炸機、起火后，明火或高溫的電解液溢出，又極易引發(fā)枯草、大棚、屋頂?shù)绕鸹鹑紵?，擴大故障。這樣的案例也不少見。
三、行業(yè)呼吁最優(yōu)解決方案，魚與熊掌兼而有之
在戶用場景，部分國家、區(qū)域已經(jīng)出臺相關標準，包括國內部分省市的建筑行業(yè)也在推行類似標準，即在屋頂光伏上，要具備RSD功能，在每個組件后面加優(yōu)化器，可以實現(xiàn)組件級關斷，在后級出現(xiàn)短路等故障時，優(yōu)化器可以分斷組件的能量，繼而避免進一步的故障擴大。這種方案可以較顯著地提高系統(tǒng)安全，但是由于優(yōu)化器當前成本仍然較高，尚無法在大型電站、以及較大型工商業(yè)電站上普遍應用。
然而，隨著光伏發(fā)電的快速發(fā)展、普及，光伏電站的“火災”問題將會成為行業(yè)隱患！電站“安全性”必須引起全行業(yè)的高度重視；如何能解決安全問題，又不提高光伏發(fā)電的LCOE（度電成本）？我們呼吁行業(yè)提出創(chuàng)新解決方案，完善相關標準，讓后續(xù)的光伏電站能真正落實相關要求；真正讓電站安心無憂，讓我們的碳中和之路走得更穩(wěn)更踏實。
