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光伏发电系统AFCI技术--概述

橘子汽水
2024-06-04 / 0 评论 / 0 点赞 / 10 阅读 / 9304 字

AFCI(Arc-Fault Circuit Interrupter),即电弧故障分断器或电弧检测与阻断技术 。是集成于逆变器的功能,在电弧产生式第一时间并切断,用于保证分布式光伏系统安全,避免电弧高温导致火灾的技术。客观地说,AFCI技术就是伴随分布式光伏发展起来的技术,但传统技术仍存在很多问题,如运行环境的复杂性、场景的适应性等。《比特与瓦特》中华为技术专家刘伟形容的--“不完善的AFCI功能,就是屋顶光伏电站的一颗地雷。”而AFCI功能就像屋顶的“安全帽”。我国现行标准(GB/T 39750-2021)规定,与建筑相结合的光伏发电系统当直流侧最大系统电压大于或等于80V时,应设置直流电弧保护。

1 背景

光伏失火是光伏电站经济效益损失最大的事故,如果安装在厂房或者居民屋顶上还容易危及人身安全。对此,市场上出现了AFCI、组件级关断等各类解决方案。

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光伏电站失火

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屋顶光伏电站失火

2 光伏电站的痛点 -- 高压

在传统的组串式光伏系统中,太阳能组件以串联方式排成阵列,串联线路电压累积叠加,一般可以达到600V~1000V。当系统长年累月运行,电线绝缘层腐蚀后易裸露,非常容易产生直流高压电弧,电弧击穿空气,产生明火,引发火灾,由直流高压引起的电弧是光伏火灾的“元凶”。只要阳光照射,即使断开直流回路,直流高压也会持续存在,消防队员便无法灭火。

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小型分布式光伏电气结构

3 直流电弧的产生及其安全隐患

3.1 直流电弧的产生

电弧是在带电导体与导体(或大地)距离较近是,导体间电压击穿空气,是空气电离而产生的一种辉光现象,这种现象有点像闪电。电弧产生高温,强烈时产生明火,而直流拉弧则是电路断电处电流击穿空气所产生的持续火花。在光伏系统中,持续的电弧会使得接触部分温度升高至3000~7000度从而引发火灾。

3.2 直流电弧分类

光伏系统中,直流电弧通常源于高压拉弧,依据发生的方位可以分为3类。

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串联电弧、并联电弧、对地电弧示意图

3.2.1 串联电弧

串联电弧往往发生在一根导线上,直流电路中的任何连接故障都有可能产生直流电弧故障,包括但不限于模块内的焊接接头、线缆连接老化、连接器故障。

3.2.2 并联电弧

并联电弧发生在同一个直流电路中,当极性相反的两个导体靠的很近,而两根电线之间的绝缘失效时,就可能产生并联电弧。

3.2.3 接地电弧

接地电弧主要由于接地故障产生。

以上三类电弧都有可能因为光伏组件接头点松脱、接触不良、接线断裂、绝缘材料老化、碳化、接线受潮、腐蚀、绝缘材料破损等原因都可能产生。由于光伏系统直流侧接线端子很多,发生电弧危害的可能性比较高。串联电弧可以通过断开直流回路的方式熄灭,而并联电弧则通常难以检测,也无法通过断开直流回路的方式熄灭,是光伏系统中不容忽视的安全隐患。业界内对于故障电弧最普遍的解决方案是AFCI(Arc-Fault Circuit Interrupter)。

4 AFCI和RSD

4.1 什么是AFCI?

AFCI(Arc-Fault Circuit Interrupter)即电弧故障分断气。它是通过识别电路中的电弧故障特征信号,在电弧故障发展成为火灾或电路出现短路之前断开电源电路的一种保护装置,目前,很多组串式逆变器厂家都推出了带有AFCI功能的逆变器产品。

内置AFCI的逆变器通过检测电弧噪声,来识别直流电弧故障,断开直流电路,消除电弧。值得注意的是:AFCI通常可以检测、熄灭串联电弧,并联电弧无法通过AFCI功能消除。另外,当AFCI触发,逆变器关机,电路断开的是直流末端与交流端的连接,整个组件阵列以及直流线缆仍是高压带电状态。

AFCI功能在实际应用中也遇到了注入电弧噪音微弱,难以侦测;外界干扰信号多,易误报,造成系统发电损失;无法定位故障电弧,找不到故障根源所在等问题。由此可见,AFCI在实际应用中还存在不少的难点。除此之外,RSD(Rapid Shutdown)即组件级关断也可以有效应对直流高压电弧。

4.2 什么是RSD?

RSD(Rapid Shutdown)即组件级关断,顾名思义就是断开光伏系统中每块组件之间的连接,从而消除光伏系统阵列中存在的直流高压。针对光伏电站中存在的直流电弧,在组件级关断领域主要有以下两种方案。

4.2.1 组件级关断(RSD)

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双体组件级关断器实物图

组件级关断器可以实现组件级别的快速关断装置,在危及情况下,可以远程或者手动快速关断每一块光伏组件之间的连接,短开口系统电压等于组件开路电压,消除电击风险。

4.2.2 微型逆变器

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单相/三相微型逆变器实物图

微型逆变器系统为全并联电路设计,组件之间不再有电压叠加,直流电压小于60V,从根本上解决了由于高压直流拉弧引起的风险,消除"直流拉弧风险"与"电击风险"。

5 对比

不同组合方案

组串逆变器+AFCI

组串逆变器+RSD

微型逆变器

运行时直流电压

高压

高压

低压

关断时直流电压

高压

低压

低压

灭弧能力

具备

具备

具备

组件级关断

不具备

具备

具备

安全等级

☆☆☆

☆☆☆☆

☆☆☆☆☆

在光伏电站的安全保障中,AFCI功能主要实现的是直流串联电弧的检测与熄灭,组件级关断则可断开每一块组件之间的连接,使整个系统在关断后处于低压状态,防止危害的进一步发生。

参考文献

[1]光伏发电系统直流拉弧智能检测(AFCI)技术白皮书 - 华为企业业务 (huawei.com)

[2]基于TMS320F28023的AFCI电弧检测方案 (ti.com.cn)

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