2024光伏发电站场内及并网安全技术白皮书

目 录 电站场内设备和并网安全设计11 安全设计理念���������������������������������������������������������������1201 光伏电站安全问题及典型案例分析04 光伏电站电气安全设计框架及技术�����������������������12 电站场内设备安全�����������������������������������������������������������������13电站并网安全技术要求与设计������������������������������������������������19 场内设备侧典型故障��������������������������������������������������06 接地故障����������������������������������������������������������������������������� 06直流线缆反接故障���������������������������������������������������������������� 06端子接触故障����������������������������������������������������������������������� 06交流侧喷弧故障������������������������������������������������������������������� 07交流绝缘故障����������������������������������������������������������������������� 07 安全应用 & 实践23 场内设备安全应用 & 实践����������������������������������������2401 智能组串分断实践——流域高原场景�������������������������������������� 24绝缘监测与定位技术实践——海光 / 水光场景������������������������� 25端子温度监测实践——沙戈荒场�������������������������������������������� 26交流安全应用实践���������������������������������������������������������������� 27 电网侧典型故障�����������������������������������������������������������0802 电网高电压穿越故障引发设备安全问题���������������������������������� 08电网低电压穿越故障引发设备安全问题���������������������������������� 08低 SCR 下谐波控制差引发的设备安全问题���������������������������� 08宽频振荡导致的设备安全问题������������������������������������������������10 并网安全应用 & 实践������������������������������������������������2802 并网支撑实践����������������������������������������������������������������������� 28构网支撑实践����������������������������������������������������������������������� 29 结语30 在新能源快速增长可见的同时，我们看到现在清洁能源大基地的设计、建设与运营也进入了深水区，挑战与日俱增。且具体的挑战内容也随着产业发展而不断变化：由早期追求极致的度电成本，转向对并网消纳、供电安全、设备安全、生产安全、用地、质量、运维等多维度多层次的挑战。 海量的新能源设备，从建设到运维，安全永远是光伏电站稳定运行的基石。2023 年，华为联合鉴衡发布《光伏电站智能安全技术白皮书》，全面深入地分析了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；助力了光伏电站智能安全防护技术的应用，在业界形成很好的反响，引领行业向智能组串分断、智能端子检测等技术演进发展，同时相关安全特性也被 GB/T 43056-2023《沙漠光伏电站技术要求》等标准收录，形成行业的统一要求。 今年，华为经过一年的研究和思考，针对安全特性进行了细化；同时，也在光伏电站现场进行了实证、对比和 GW 级大规模的应用。我们认为，仅从设备本体维度的静态安全还不能保障整个系统的电气安全，还需要考虑设备运行并网后，对电网侧故障的安全防护，来达到动态的运行安全和支撑电网安全。从而做到在电站的整个生命周期都能安全稳定并网。 背景 本白皮书通过对安全特性进行具体指标的分层分级，旨在帮助光伏电站安全建立统一评价标准，促进光伏产业健康稳定发展。 2023 年，新能源按下加速键。习总书记在 22 年提出新能源高质量发展的要求后，又在去年底提出了大力发展“新质生产力”。在光伏领域，一系列支持政策陆续落地，光伏未来的增长空间是确定的。2023 年政策、商业、技术驱动光伏行业快速增长。流域高原、沙戈荒、农光、水光、海光等场景空间倍增，加速光伏成为主力能源。根据 BloombergNEF 的最新预测，预计在 2025 年 ~2030 年，年平均装机容量将超过 700GW；到 2030 年，全球累计光伏装机容量将达到 6.7TW。 6.7TW 随着 N 型组件技术、IGBT 等半导体器件的持续发展，如组件、逆变器等光伏电站核心设备的功率密度逐渐提高；由此而带来的安全问题更易产生，可能造成的后果也愈加恶劣。同时，由于地面电站的应用场景由传统单一的平地，逐渐往沙戈荒、山地、海光、流域高原等复杂场景演变，多变的环境特征也使得安全问题愈加突出。 特殊的地质条件等因素可能导致结构形变、引起端子松脱，继而使得端子两侧的电压击穿空气后产生持续的放电效应，也就是所谓的拉弧；直流拉弧的温度可瞬间高达 3000℃，并且会持续燃烧，极易烧坏端子，甚至可能造成更恶劣的后果。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。 农光场景 土地沉降导致端子接触不良 高湿高盐雾的环境下，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。近海场景，直流线缆、接线盒、交流线缆、接线端子等容易被腐蚀，难以避免会影响绝缘性能，如降低爬电距离等，从而可能导致逆变器单板 / 模块绝缘失效 / 过热，进而引发打火，造成整体逆变器烧毁。 海光或盐碱滩涂等场景 交流侧喷弧故障 安全问题除了按照以上场景分类，也可以根据发生的位置，分为设备侧、电网侧等几大类。 光伏电站交流侧防护相对成熟、相关标准也相对完善，但当系统发生短路故障时，断路器分断故障电流可能会引起电弧。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。 场内设备侧典型故障01 接地故障 接地故障是目前电站安全问题里发生概率最高，也最突出的一类。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。 直流线缆反接故障 在电站前期施工接线时，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倍，现有的 1500V 熔丝可能无法可靠分断，出现爆裂和起火。 端子接触故障 交流绝缘故障 光伏电站中存在大量的端子连接，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。 新能源电站存在大量地埋电缆，在电缆敷设过程中以及后期运维过程中，都有可能引起电缆绝缘破损、老化等问题，导致对地绝缘下降，甚至引起接地故障。新能源电站低压侧一般采用中性点不接地系统，对系统对地的绝缘电阻进行监测是保证运维人身安全的重要手段。 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。 案例 Case 案例 Case 电网侧典型故障02 华南某项目，上午发现集电线下某厂家逆变器出现约 100 台告警且存在箱体盖板鼓起现象，集电线箱变低压侧塑壳断路器大多数均跳开，查看箱变低压侧塑壳断路器发现有拉弧痕迹；排查发现 35kV 电网上有高次谐波和尖峰电压产生。 浙江某分布式电站项目，逆变器并网谐波大，尖峰电压高，逆变器 AC 防雷的器件批量损坏，并引起上层箱变跳闸，设备损坏。 高比例新能源渗透率下，高比例电力电子设备控制和对电网支撑能力不足，不仅影响电力系统的稳定性，同样带来很多电气设备损坏和电气安全问题；多地曾经出现过逆变器硬件设计能力不足、逆变器高低穿或谐波控制不足，导致设备故障或引发上层系统保护等问题。 电网高电压穿越故障引发设备安全问题 当电网发生高电压穿越故障时，电网电压的升高会导致逆变器交流侧电压的抬升，一般最高会到 1.3 倍的额定电压。对于直流转交流的一级电路，在没有第二级直流转直流的稳压电路作用时，当电网交流电压升高，直流侧电压也会随之升高，从而偏离组件的最大功率点，使得输出功率下降，影响稳定运行；直流侧电压若不抬升，则会出现交流电压高于直流电压，可能会产生反灌等风险。 浙江某项目设备并网谐波大，设备损坏 电网低电压穿越故障引发设备安全问题 2020 年东北地区某电站，就出现过弱电网下部分逆变器低电压穿越失败，导致设备损坏的事故。事故起源于电网发生的相间短路故障，导致 AB 相电压发生畸变，场站内的逆变器低电压故障穿越失败发生停机，同时因其自身的控制原因，发生逆功率导致设备发生损坏。电站 40 个子阵中约 35 个子阵发生类似问题，导致了为期两周的停机事故，损失发电量约 3%。 案例 Case 案例 Case 西北某光伏项目，引起 35kV 侧谐波振荡，导致电站部分电压互感器等设备损坏，线路跳闸。 江苏某分布式电站项目，电网有一定背景谐波，逆变器控制和谐波耐受能力差，内部 LC 滤波电路批量故障。 江苏某项目谐波耐受能力差，内部 LC 滤波电路批量故障 低 SCR 下谐波控制差引发的设备安全问题 国内出现多例谐波大导致线路跳闸 / 设备损坏等故障问题，特别是分布式电站项目，由于本地负载多，谐波问题更加突出； 逆变器并网设备、SVG 设备控制谐波能力不足，引起设备关机、其他系统振荡问题也多次发生，这对于光伏并网设备在不同电网工况下的谐波耐受能力，谐波