工商業(yè)光伏安全白皮書 2023

TüVRheinlandpreciselyRight.大力發(fā)展可再生能源，改善用能結(jié)構(gòu)，是應(yīng)對環(huán)境和氣候問題的重要途徑之一1。在此背景下，歐盟制定了“PowerEU”計劃，要求歐盟成員國在2030年前在基礎(chǔ)設(shè)施方面投資5650億歐元（約合人民幣39400億以實現(xiàn)其綠色計劃。2020年9月，中國提出了力爭2030歐洲電價飆漲以及各地不斷拉大的峰谷價差也推動著企業(yè)進(jìn)行綠色轉(zhuǎn)讓綠電迎來了最佳建設(shè)時機(jī)。術(shù)的成熟程度參差不齊，特別是工商業(yè)光伏建設(shè)在電力用戶側(cè)，大多處事故不僅影響系統(tǒng)本身，還將對業(yè)主的人身和財產(chǎn)安全為了讓業(yè)界可以更全面的了解光伏系統(tǒng)中的安全防護(hù)技術(shù)，萊茵和面臨的安全挑戰(zhàn)，光伏系統(tǒng)所需要的安全設(shè)計方案、對現(xiàn)有解決方案/技術(shù)的評估以及應(yīng)用前景。本白皮書旨在指出系統(tǒng)的安全設(shè)計對于光伏系統(tǒng)建設(shè)的重要性，為未來光伏系統(tǒng)的安全解決方案提供指導(dǎo)。11.[張素芳,鄧琦.基于扎根理論的我國分布式光伏發(fā)電制約因素研究[J].華北電力大學(xué)學(xué)報(社會科學(xué)版),2022(02):29-39.]01/02/04/05/03/ 21.1機(jī)容量自1.25GW提升至304.30GW，年復(fù)合增長率達(dá)40.98%1。匈牙利光伏產(chǎn)業(yè)在2020年的光比利時在2020年底累計光伏裝機(jī)量超過6GW，且裝機(jī)需求均來自于分布式光伏；美國2021年光伏總裝機(jī)量已超過100GW，過去十年的年均增長率為42%，并且，根據(jù)美國能源部發(fā)布的研究報告，到2035年，光伏發(fā)電將占據(jù)美國電力供應(yīng)的40%3；印尼計劃到2030年新增4.7GW的光伏裝機(jī)量；澳大利亞計劃到2025年，在目前14GW裝機(jī)的基礎(chǔ)上，再安裝8.9GW的太陽能光伏系統(tǒng)；截至2025年，中國光伏行業(yè)新增裝機(jī)量將達(dá)110GW，同比2020年增長128.22%，分布式光伏在經(jīng)濟(jì)效益持續(xù)提升的情況下有望獲得較快發(fā)展4。下圖展示了2017年-2022年中國分布式光伏裝機(jī)的容量情1.[舟丹.世界光伏發(fā)電動態(tài)[J].中外能源,2021,26(11):37]2.[張凌,高瀟儒.匈牙利光伏產(chǎn)業(yè)和補貼機(jī)制的研究與分析[J].中外能源,2021,26(11):28-33]3.[李麗旻.美國光伏裝機(jī)目標(biāo)恐落空[N].中國能源報,2022-03-21(6)]4.[石杰,李繼安,丁志遠(yuǎn),黃溢文.分布式光伏的安全問題及清洗策略研究[J].光源與照明,2022(04):93-95.]32017-2022年中國分布式光伏裝機(jī)容量統(tǒng)計2017-2022年中國分布式光伏裝機(jī)容量統(tǒng)計180002017年2018年2019年2020年2021年2022年150001200090006000300001.2光伏組件的發(fā)展分為了三個階段：第一階段是主；第三階段是2018年后出現(xiàn)了158.75、160、片組件的功率和效率提升，大尺寸硅片可以減少支架、匯流箱、電纜、土地等成本，從而進(jìn)一步降低單瓦系統(tǒng)成本。從中國光伏行業(yè)協(xié)會發(fā)布的2019-2025年不同尺寸太陽電池的市場占比也可以看出，182、210mm組件將成為未來光伏市場的主流光伏1.[馬慶虎,馬超.平價上網(wǎng)時代下光伏電站的設(shè)計優(yōu)化研究[J].太陽能,2022(12):62-66.] 4圖X2019—2025年不同尺寸太陽電池的市場占比圖X2019—2025年不同尺寸太陽電池的市場占比050206040506038年份20192020E156.75mm156.75mm2021E2022E2023E2025E156.75mm156.75mm156.75mm21.3工商業(yè)光伏與建筑聯(lián)系緊密，存在各種“光伏+”應(yīng)用場景的分布式項目，包括光伏+工廠，光伏+港口、光伏+物流以及光伏+商超等各類主流場景，其中屋頂電站是工商業(yè)光伏的主要應(yīng)用形式，目前也衍生出了光伏建筑一體化（BIPV），即光伏產(chǎn)品集成到建筑上的技術(shù)，常見的應(yīng)用形式有光電瓦屋頂、光電幕墻和光電采光頂。光伏上屋頂與工商業(yè)建筑融為一體，真正進(jìn)入到了人們的生產(chǎn)和52.1然而，大功率組件在降低成本的同時也使得直流側(cè)點產(chǎn)生的短路電流也相應(yīng)增大，由焦耳定律Q=I2RT據(jù)相關(guān)統(tǒng)計，74%的逆變器失效是直流側(cè)故障接地的光伏系統(tǒng)，直流側(cè)故障一般可以分為線-線法分?jǐn)嘀绷鱾?cè)輸入的能量，將導(dǎo)致大量的能量在故破損導(dǎo)致內(nèi)部導(dǎo)體露出是造成對地短路的主要原因。除線-線故障與接地故障外，由于接線操作不1.[JonhWiles,"GroundFaultProtectionforPVsystems",January.February2008IAEINEWS] 6圖2常見直流側(cè)線-線故障規(guī)范、土地沉陷拉扯線纜以及長期使用導(dǎo)致器件老化和和觸點松動所導(dǎo)致的端子短路、過流和虛接所圖3圖3PV端子故障2.2幫助工商業(yè)主實現(xiàn)更優(yōu)度電成本、綠色降碳的同時7在全球范圍內(nèi)的各類光伏系統(tǒng)安全事故中，電氣火災(zāi)是發(fā)生頻率最高，造成損失最大的光伏安全事故。據(jù)德國著名的保險公司MANNHEIMERVERSICHERUNG對光伏行業(yè)的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)，光伏電站火災(zāi)事故的補償金額占據(jù)全年金額的32%，處在該公司保險支出的第一位1。而據(jù)相關(guān)統(tǒng)計，60%以上的光伏電站火災(zāi)事故流側(cè)接線端子較多，忽略其它絕緣部位，MW級的圖X某光伏電站因直流拉弧導(dǎo)致屋頂起火2.31.[光伏技術(shù)中心.分布式光伏電站火災(zāi)案例及故障分析[EB/OL].(2017-9-24)[2020-03-01]. 8高電壓高電壓圖X屋頂高壓圖X屋頂高壓造成絕緣阻抗低。系統(tǒng)絕緣阻抗降低多意味著絕緣圖X常見絕緣阻抗故障2.4/消防人員的人身安全都提出了重大挑戰(zhàn)。因此，光9面對上述各類安全挑戰(zhàn)，行業(yè)提供了一定的解決方案。但綜合來看，傳統(tǒng)的解決方案僅具有部分單一的安全措施，尚未從系統(tǒng)層級進(jìn)行安全方案的設(shè)計，并且在安全技術(shù)上仍有較多不足之處，難以滿足光伏系統(tǒng)日益提高的安全需求。相較之下，華為所提供的工商業(yè)安全解決方案嚴(yán)格從設(shè)備、資產(chǎn)和人身安全三方面進(jìn)行設(shè)計，搭配行業(yè)領(lǐng)先的安全技術(shù)，真正實現(xiàn)光伏電站“0”安3.1如上所述，隨著大功率組件成為市場主流，直流側(cè)故障帶來的安全隱患也不斷升高。而無論是線-3.1.1|智能組串分?jǐn)嗉夹g(shù)(SSLD)串與逆變器之間安裝直流隔離開關(guān)對直流側(cè)線-線 10--PV2+PV2-圖X傳統(tǒng)直流隔離開關(guān)方案DC-DC/MPPTPV1DC/AC斷技術(shù)(SSLD)，通過逆變器可實時監(jiān)測各路組串電壓、電流信號，以及逆變器內(nèi)部關(guān)鍵信號，同時監(jiān)DC-DC/DC-DC/MPPTDC/AC圖X華為SSLD技術(shù)原理PV2+PV2-PV1 可以檢測是否分?jǐn)嗤瓿?，若判斷出現(xiàn)異常，逆變器簡而言之，華為SSLD通過數(shù)字化技術(shù)，軟件3.1.2|PV線纜對地短路保護(hù)對于更為嚴(yán)重的接地故障，行業(yè)目前極少有相應(yīng)的技術(shù)方案。為解決這一問題，華為逆變器通過3.1.3|端子過溫檢測技術(shù)端子直接通過線纜連接，無任何過溫檢測能力，導(dǎo)致端子燒毀故障頻發(fā)。華為在工商業(yè)領(lǐng)域首創(chuàng)智能端子過溫檢測技術(shù)(SCLD-TECH)，通過PV端子上板設(shè)計，在PV板端子附近鋪設(shè)NTC溫度檢測電路，通過將端子溫度的變化轉(zhuǎn)化為電壓信號的變化，傳遞至數(shù)據(jù)信號處理器（DSP），進(jìn)而實現(xiàn)對PV端子溫度的采11圖X端子過溫算法邏輯圖X端子過溫算法邏輯 NTC溫度采樣 圖圖XPV端子上板設(shè)計3.23.2.1|直流拉弧智能檢測與快速關(guān)斷(AFCI)燃點而被點燃起火。統(tǒng)中的電學(xué)參數(shù)及其頻譜變化判斷電路中是否有電圖X直流拉弧圖X直流拉弧傳統(tǒng)方案一般通過對電弧信號做經(jīng)驗分析歸納,不具 12特征信號與電弧電流關(guān)系特征信號與線纜長度關(guān)系特征信號與電弧電流關(guān)系特征信號與線纜長度關(guān)系0電弧電流（A） NoArcArc功率譜密度050100150200250線纜長度（m） NoArcArc圖X電弧特征信號與電弧電流和長度的關(guān)系0.50.40.30.20功率譜密度250無法有效區(qū)分，容易導(dǎo)致誤保護(hù)。另外，傳統(tǒng)算法高，準(zhǔn)確率下降，誤報率上升。這使得傳統(tǒng)的AFCI方案檢測范圍僅80m，可檢測電流16A，關(guān)斷速度2.5s。但面對工商業(yè)規(guī)模的不斷提高，80m的檢測針對上述難點問題，華為利用自身優(yōu)勢及其他信號的有效區(qū)分；同時，華為AFCI算法與電力電PrePre-trainedClassifierFaultDiagnosis圖X華為AFCI方案邏輯框圖LabeledDataUnlabeledData13滿足各種場景檢測范圍的要求；30A的MPPT電唯一AFCI兼容優(yōu)化器快速關(guān)斷功能(RSD)，將電3.3“0”電壓不觸電保障人身安全人身安全在任何場景下都是一條紅線，如前所3.3.1|組件級快速關(guān)斷流電壓不斷提高，光伏系統(tǒng)從最初的600V設(shè)計提高至1000V以上，屋頂高壓嚴(yán)重威脅著消防員的人ElectricalCode，簡稱NEC)NEC2014690.12統(tǒng)的快速關(guān)斷作出了要求?？焖訇P(guān)斷即快速關(guān)斷每一塊光伏組件之間的連接。2017版的NEC690.305mm為界限，在快速關(guān)斷裝置啟動后30S內(nèi)，界限范圍外電壓降低到30V以下，界線范圍內(nèi)電壓在此背景下，華為智能光伏解決方案通過搭配智能組件控制器，實現(xiàn)光伏組件電壓的快速關(guān)斷，觸發(fā)高壓關(guān)斷的方法有三種，分別是：關(guān)閉逆變器與電網(wǎng)之間的交流開關(guān)、將逆變器底部的直流開關(guān)設(shè)置為OFF或者將接入開關(guān)連接到逆變器通信端子的13和15引腳上，默認(rèn)情況下，開關(guān)關(guān)閉，當(dāng)開器可以實現(xiàn)10s內(nèi)將系統(tǒng)電壓降低至20V左右，更99.6V99.6V1V0A0A0A0A圖X華為組件級快速關(guān)斷方案99.6V99.6V99.6V0A0A0A0A#2強(qiáng)的技術(shù)指標(biāo)可以更好的適配高安全場景對快速關(guān) 143.3.2|組件級絕緣阻抗故障定位大多數(shù)情況下，系統(tǒng)的絕緣阻抗降低意味著線纜絕緣層的破損，絕緣層破使導(dǎo)體露出造成人身觸電風(fēng)險。目前來看，現(xiàn)有的標(biāo)準(zhǔn)IEC62446-1/NB/T32004-2013僅規(guī)定了逆變器絕緣電阻低于規(guī)定值/閾值時，限制并網(wǎng)。傳統(tǒng)的解決方案僅能做到當(dāng)系統(tǒng)的絕緣阻抗降低至低于閾值時實現(xiàn)逆變器的停機(jī)以實現(xiàn)在在并網(wǎng)時對整個光伏系統(tǒng)絕緣阻抗值的統(tǒng)FusionSolarApp，業(yè)主可實現(xiàn)對系統(tǒng)絕緣阻抗值app將進(jìn)行告警并對絕緣阻抗故障點進(jìn)行組件級定<2023-05某光伏系統(tǒng)絕緣阻抗值><2023-05某光伏系統(tǒng)絕緣阻抗值>絕緣阻抗最小值：0.922MΩ1.5001.2000.9000.6000.3000.00003060912151821242730day圖X絕緣阻抗值變化3.4在設(shè)備安全方面，華為提供智能組串分?jǐn)嗉夹g(shù)(SSLD)、PV-對地短路、端子過溫檢測等安全防護(hù)技術(shù)；在資產(chǎn)安全方面，提供L4級智能電弧防護(hù)件級快速關(guān)斷(RSD)與組件級絕緣阻抗故障定位技如IEC、泰國EIT，巴西Inmetro，中國國家標(biāo)準(zhǔn)以4.1本次實測旨在驗證華為逆變器是否具備所宣稱能力，評價方式為現(xiàn)場驗證，驗證方式為目擊測試。本次測驗證華為逆變器在絕緣阻抗低于閾值時可實現(xiàn)關(guān)機(jī)告警以及對故障位置的圖X測試項目總覽器時可實現(xiàn)在10s內(nèi)將電壓降低至20V以下驗證華為逆變器在發(fā)生接地故障