光伏电站 智能安全 技术 白皮书 版权所有 © 2023 华为数字能源技术有限公司。 保留一切权利。 非经本公司书面许可，任何单位和个人不得擅自摘抄、复制本文档内容的部分或全部，并不得 以任何形式传播。 商标声明 、HUAWEI、以及 是华为技术有限公司的商标或者注册商标。在本手册中以及本手册描述的产品中， 出现的其他的商标、产品名称、服务名称以及公司名称，由其各自的所有人拥有。 免责声明 本文档可能含有预测信息，包括但不限于有关未来的财务、运营、产品系列、新技术等信息。由于实践中 存在很多不确定因素，可能导致实际结果与预测信息有很大的差别。因此，本文档信息仅供参考，不构成 任何要约或承诺。华为数字能源可能不经通知修改上述信息，恕不另行通知。 华为数字能源技术有限公司 深圳市福田区香蜜湖街道香安社区安托山六路33号安托山总部大厦 solar.huawei.com 目录 CONTENTS 背景 光伏电站安全问题及典型案例分析 光伏电站电气安全问题总览 典型电气故障及安全问题介绍与分析 光伏电站智能安全设计 智能光伏电气安全设计理念 光伏电站电气安全设计框架及技术 结语 1 背景 随着碳中和目标在全球范围内加速落地，以及各国对能源安全 与能源独立的重视，光伏产业迎来了前所未有的“爆发式”增长。 根据国际可再生能源署 (IRENA) 发布的最新报告，截至2022年 底，全球累计光伏装机为1053GW。而中国光伏行业协会 （CPIA）预测，在2023年~2030年，国内年均新增光伏装机将达 到90GW以上，全球年均新增装机在250GW以上。光伏正逐渐替 代传统能源，成为全球主力能源。 安全，则是光伏行稳致远的根基。随着光伏组件电流、逆变器 等关键设备容量和功率不断增加，以及光伏应用场景复杂多样化， 如何保障电站端到端的系统安全受到全行业高度关注。光伏电站安 全涵盖电气安全、并网安全、供电安全、网络信息安全、生态安全 等方面。其中，与人身和财产安全息息相关的电气安全最受关注， 也至为重要。 传统的光伏电站安全防护通常围绕“全方位”、“无死角”、 “快响应”的理念进行设计、强调管理制度的科学性与应对反应的 及时性，而随着数字技术与电力电子技术的结合越来越紧密，需要 借助数字化的手段实现安全管理的技术迭代。 本白皮书通过全面深入地分析光伏电站电气安全问题及事故案 例，系统地介绍了光伏电站安全防护领域的最新技术与实践；旨在 助力光伏电站智能安全防护技术的应用，促进产业快速、健康发 展。 01 02 2 光伏电站安全问题 及典型案例分析 光伏电站安全中，电气安全事故发生频次最高、也最为复杂，对人员、设备及电站均构成威胁，需要整个 行业携手应对。宏观上，应建立全局视角，端到端审视与分析各关键节点、链路的安全风险；微观上，需要对 2 光伏电站 2 典型电气安全事故介绍与分析 各种安全事故发生的根因进行深入剖析，有的放矢管控风险。 接地故障 2 接地故障是目前电站安全首当其冲的问题。根据第三方机构统计，超过一半的光伏电站火灾是由接地故障 光伏电站 引起。在光伏电站中，光伏组件-汇流箱（如有）-逆变器-箱变之间的线缆大多为直接埋地铺设，而光伏组 1 电气安全事故总览 件、接线盒、直流电缆、汇流箱、逆变器、交流电缆、接线端子等各环节易出现绝缘层破损并与地面接触，引 光伏电气安全的故障源点和形式具有多、散、杂的特点，任何一块组件或一台设备及其电气连接，均可能 成为故障源点并发生不同形式的安全事故。 起输电导线对地绝缘下降。一旦形成漏电回路，将会造成局部发热或者电火花，严重时甚至会引发火灾等严重 后果。 针对接地问题，电站系统采取了一系列防范措施。当电站直流侧系统发生接地故障时，逆变器应能够检测 出正极或负极绝缘异常，并通过光伏电站部署的通信系统，将故障信号发送至电站中央控制室的监控后台。随 着光伏电站逆变器直流组串接入回路数快速增加，传统集中式和组串式逆变器无法定位故障点具体组串位置， 因此后续的故障点查找需要大量人工完成，尤其是在沙戈荒、流域、水面等复杂场景，运维更加困难，效率更 低。 在光伏电站的直流侧接地故障中，如果发生单点接地，由于没有构成接地电流的通路，对系统不会产生明 显影响，但如果另外一个点同时发生接地故障，可能造成系统短路，导致设备故障损坏，严重影响电站安全。 对于多极接地故障可能造成的严重影响，我们重点分析两点接地的典型故障风险与问题。 图1 光伏发电系统电气事故图例 03 04 组串式方案中如果两个接地点发生在同一逆变器下的组串PV-，接地故障分析与上述集中式相同，也等效 ◎ 接地点同为正极 下图为集中式方案中任意两个组串PV+同时接地的示意图，等效为单点正极接地故障，系统会上报接地故 为单点负极接地故障，系统会上报接地故障告警。 障告警。 图2 集中式两点正极接地故障示意图 组串式方案中如果两个接地点发生在同一逆变器下的组串PV+时，接地故障分析与上述集中式相同，也等 图5 组串式两点负极接地故障示意图 效为单点正极接地故障，系统会上报接地故障告警。 如果非电气隔离逆变器有N线接地（如TN-C），可能还会导致逆变器内功率模块短路，导致功率 模块失效，如下图所示。 图3 组串式两点正极接地故障示意图 图6 N线接地短路故障示意图 ◎ 接地点同为负极 ◎ 接地点为正极和负极 下图为集中式方案中任意两个组串PV-的同时接地的示意图，等效为单点负极接地故障，系统会上报接地 故障告警。 在集中式方案中，如果出现任意组串的PV+和PV-同时接地，则等效为组串短路，一般组串的短路 电流是峰值电流的1.1倍，因此直流侧短路或过流故障熔丝难以有效分断。 图4 集中式两点负极接地故障示意图 图7 集中式正负极接地故障示意图 05 06 在组串式方案中，如果接地点同时发生在同一Boost电路下的PV+和PV-时，接地故障分析和集中 电气绝缘故障 式相同；如果接地点发生在同一逆变器的不同Boost电路的PV+和PV-时，逆变器可能会出现3000V 在电气安全中，绝缘故障是主要的安全风险之一，绝缘失效大多是由于电场、热、化学等因素综合作用 过电压的风险，导致设备损坏。 下，绝缘材料的绝缘性能降低，导致绝缘性能破坏。绝缘失效的主要表现形式为绝缘击穿，当施加于电介质的 电场强度高于临界值或者在一定电场强度下，电介质由于环境等影响，绝缘电阻值低于临界值，通过电介质的 电流会突然猛增，使绝缘材料的绝缘性能被破坏，丧失绝缘能力，这种现象通常也称为电介质击穿，最终导致 火灾等严重后果。 通常情况下，传统集中式逆变器防护等级为IP54，传统组串式逆变器防护等级为IP65。在运行或者运维过 程中，难以避免会由于水汽、灰尘、盐雾等进入逆变器降低了爬电距离，导致逆变器单板/模块绝缘水平大幅降 低，绝缘失效/过热，进而引发打火，造成整体逆变器烧毁。 由水汽导致的凝露现象是光伏电站最为常见的绝缘故障之一。为了避免运行时温升导致的腔内腔外气压不 一致，逆变器会设置透气阀，透气阀同样也只能防水，不能防水蒸气。光伏电站逆变器都是在白天开机运行， 图8 组串式正负极接地故障示意图 随着设备腔内温度升高，由于热胀冷缩内部压力升高，逆变器内部器件中吸收的水份会变为水蒸气，当夜晚来 临时，逆变器由于太阳辐照降低停止运行，腔内温度降低，如果达到露点温度就会在逆变器腔内凝结成水，进 当Boost电路设计为对称拓扑时（如下图9），PV-与BUS-不直接连接，如果正负极接地则会引 而导致元器件的绝缘故障，带来安规失效风险。 发3000V过电压。此电路架构对控制算法要求较低，但在雨季、雪天，出现积水、积雪时，由于接触不 良或线缆破损，极易造成逆变器设备故障损坏。 图9 对称BOOST拓扑，PV+/PV-多点接地，引起3000V高压 下图为一种飞跨电容的BOOST电路拓扑设计，该电路架构PV-与BUS-直接连接，可以有效避免 多点接地带来的逆变器过压风险。但此方式对逆变器控制算法的要求较高，实现有一定难度。 图11 逆变器绝缘故障导致起火事故 图10 飞跨BOOST拓扑，避免多点接地过压 07 08 直流反接故障 直流/交流端子接触故障 在电站施工接线时，由于线缆多且长，端子公母头容易接反，从而出现直流反接问题。传统多路并 光伏电站中涉及大量的端子连接，端子接触不良引发的故障也是常见的电站安全问题。以一个100MW电 联方案中采用熔丝进行过流保护，如果出现一路组串直流反接，故障回路电压可能会达到组串电压的两 站为例，电站共有7000多个组串，需要14000多个直流端子连接。导致端子接触故障的原因包括，在端子生产 倍，现有的1500V熔丝可能无法可靠分断，出现爆裂和起火。 过程中因加工不到位会导致金属芯压接不良，在电站施工阶段因操作不规范会导致端子插接不到位，在电站运 下图分别为传统集中式方案和传统组串式方案中出现一路组串直流反接时的高压示意。 营阶段由于外力导致端子接触点之间产生应力从而造成端子虚接。下图是由于大风、土地沉降等因素长期影响 导致接触劣化的案例。 图15 土地沉降导致端子接触不良 图12 集中式方案直流反接，故障点电压可达3000V，超过熔丝分断能力 端子接触不良带来的直接影响即端子过温，但是由于逆变器直流端子通常无法进行温度检测，这种故障非 常容易从一个小故障扩散到大故障，引起直流拉弧/过热起火等现象。 图13 传统组串式熔丝保护方案，直流反接引起3000V高压，超过熔丝分断能力 图16 端子故障过温 图17 端子过温导致的起火事故 当逆变器或Boost电路内全部组串反接时，设备中的二极管等效短路，可能会造成二极管烧坏，如 直流熔丝/汇流箱故障 图所示。 针对光伏直流侧的过流保护，标准层面尚存在不足，目前仅以IEC62548《光伏方阵设计要求》为主要依 据。在工程应用中，特别是过流保护装置的选配、熔断体和断路器的质量控制等环节存在一定问题。 集中式方案过流保护通常采用组件级、组串级、汇流箱级熔丝进行分级保护，由于选型问题经常会在项目 初期出现分断保护失效。另外，光伏直流侧短路电流来自于组串，一般最大仅为组件峰值电流的1.1倍，因此直 流侧短路或过流故障时，熔丝很难有效分断；传统组串式直流侧无主动分断开关，在逆变器内部发生短路时， 无法分断故障电流。因此逆变器、汇流箱等设备起火风险与日俱增。 图14 全部组串反接，二极管短路 09 10 箱变低压柜内喷弧故障 电弧是离子化的高温气体流，在电弧被引燃的初期，空气急剧爆燃产生的冲击波和随后的高温气流会对人 体和设备带来极大危害。光伏电站交流侧防护相对成熟、相关标准也相