一
背景
伴随碳达峰、碳中和成为2021年中国经济工作中的一项重要任务，光伏将承担主力军的角色,同时也将进入一个蓬勃发展的新时代。可以预见，不管是地面电站，还是分布式电站，光伏的装机量都将进入大规模增长的阶段，但是与之而来的“安全问题”也越来越多，引起行业的关注和重视。
安全是光伏电站的命脉，也是取得投资回报的根基所在。不管在地面、山地、屋顶等光伏电站场景，安全几乎是一票否决的原则问题。
二
电站发生火灾的原因
火灾，是光伏电站的最大安全隐患。据记者统计，光伏行业近3年内已有45起典型的火灾事故。2020年2月2日，山西运城稷山县太阳能光伏发电项目所在的山坡上发生火灾；2018年4月19日，安徽铜陵某地面光伏电站发生火灾，整个电站一片狼藉，组件基本被烧光，只剩下一些凌乱散落的金属支架;2015年5月，苹果公司一直引以为傲的位于亚利桑那Mesa的工厂屋顶突然起火，起火点是大楼屋顶的光伏组件，现场浓烟四起，光伏组件被烧毁……
桩桩件件触目惊心！随着光伏装机容量的逐年攀升，逆变器、汇流箱、大电流组件以及应用场景越来越复杂，造成火灾隐患上升。除了来自于外部原因的火灾外，光伏系统自身的火灾隐患更需引起重视。
2.1 设备演进，进一步带来火灾隐患
1）为进一步降低光伏电站LCOE，光伏组件呈现大功率、大电流趋势。随着硅片尺寸越来越大以及电池效率越来越高，组件电流不断提高成为必然趋势。我们看到，组件电流越来越大，逆变器功率或汇流箱对应的组串数量也不断增加。
▲图1集中式系统：电流和组串越来越大
▲图2组串式系统：电流和组串越来越大
随着光伏直流侧系统功率和电流增大，于之而来的故障起火风险也越来越大。当发生故障时，在故障点产生的短路电流也相应的增大，根据焦耳定律Q=I²Rt可知，电流增大一倍，短路点热效应增加4倍，起火的风险也极大的增加。未来光伏直流侧功率将进一步增大，传统方案的保护功能却没有得到任何的改进与升级，完全没有跟上系统功率演进的节奏，这个问题的解决已经到了刻不容缓的时候了。
2）光伏电站的应用场景越发多样化。从荒漠走向农光、渔光、山地、屋顶发展，涵盖了光伏+建筑，光伏+农业，光伏+山地，光伏+渔业等多个复杂场景。当光伏+越来越丰富的时候，火灾就成为了最大的安全隐患。光伏电站一旦发生火灾事故，不仅会损失电站成本、发电收益，严重时还会造成建筑及人身伤害。
正如大家常见的，秋末冬初，山地电站组件下方布满枯草，山火引发的损失难以估量，因此电站对防火的要求必然更高；农光电站、屋顶光伏等场景光伏组件通常布置在大棚或建筑物上方，且与人员的接触更加紧密，线缆或逆变器短路引发的火灾，将对人身财产安全产生极大的威胁。
2.2 防患于未然，当前系统方案无法应对未来发展
如上节所述，未来组件电流的增大、组串数量越来越多是大势所趋。同时随着逆变器功率密度的增加，电流反灌时的能量也愈发增大，进而导致组件-线缆-逆变器整个电站系统的安全风险增加。因此倒逼系统需要与时俱进，做出新的创新，来迎合这个趋势，保障电站安全。
当前的集中式方案一般使用16/24路直流汇流箱将组件功率进行汇集，采用支路熔丝和汇流断路器进行保护，因光伏组件短路电流仅为额定电流的1.1倍，无法达到熔丝和断路器的保护电流，因此现有的直流保护器件均无法动作。具体原理如下：
如上图的A点发生短路故障，红色故障回路：QF1为汇流箱断路器，额定电流500A，由于组件的短路电流在480A左右，QF1一直不会脱扣，持续输出直流能量到故障点，维持电弧燃烧，扩大火灾事故。
集中式由于直流回路长，汇流路数多，级联路数多，除了上述短路故障点A外，汇流箱、汇流柜内等都可能发生类似故障情况，风险相较组串式将更大。
正如大家常见的，秋末冬初，山地电站组件下方布满枯草，山火引发的损失难以估量，因此电站对防火的要求必然更高；农光电站、屋顶光伏等场景光伏组件通常布置在大棚或建筑物上方，且与人员的接触更加紧密，线缆或逆变器短路引发的火灾，将对人身财产安全产生极大的威胁。
2.2 防患于未然，当前系统方案无法应对未来发展
如上节所述，未来组件电流的增大、组串数量越来越多是大势所趋。同时随着逆变器功率密度的增加，电流反灌时的能量也愈发增大，进而导致组件-线缆-逆变器整个电站系统的安全风险增加。因此倒逼系统需要与时俱进，做出新的创新，来迎合这个趋势，保障电站安全。
当前的集中式方案一般使用16/24路直流汇流箱将组件功率进行汇集，采用支路熔丝和汇流断路器进行保护，因光伏组件短路电流仅为额定电流的1.1倍，无法达到熔丝和断路器的保护电流，因此现有的直流保护器件均无法动作。具体原理如下：
如上图的A点发生短路故障，红色故障回路：QF1为汇流箱断路器，额定电流500A，由于组件的短路电流在480A左右，QF1一直不会脱扣，持续输出直流能量到故障点，维持电弧燃烧，扩大火灾事故。
集中式由于直流回路长，汇流路数多，级联路数多，除了上述短路故障点A外，汇流箱、汇流柜内等都可能发生类似故障情况，风险相较组串式将更大。
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图3 集中式逆变器因直流短路起火照片
而当前组串式方案虽然不存在汇流箱后端短路的问题，但是当逆变器内部出现极端故障时，如内部IGBT故障造成直流母线短路，逆变器因无法分断直流输入能量，大量的能量在故障点积累可能导致进一步的问题，严重一点的将发生炸机、起火等事故。
逆变器炸机、起火后，明火或高温的电解液溢出，又极易引发枯草、大棚、屋顶等起火燃烧，扩大故障。这样的案例也不少见。
三
行业呼吁最优解决方案，鱼与熊掌兼而有之
在户用场景，部分国家、区域已经出台相关标准，包括国内部分省市的建筑行业也在推行类似标准，即在屋顶光伏上，要具备RSD功能，在每个组件后面加优化器，可以实现组件级关断，在后级出现短路等故障时，优化器可以分断组件的能量，继而避免进一步的故障扩大。这种方案可以较显著地提高系统安全，但是由于优化器当前成本仍然较高，尚无法在大型电站、以及较大型工商业电站上普遍应用。
然而，随着光伏发电的快速发展、普及，光伏电站的“火灾”问题将会成为行业隐患！电站“安全性”必须引起全行业的高度重视；如何能解决安全问题，又不提高光伏发电的LCOE（度电成本）？我们呼吁行业提出创新解决方案，完善相关标准，让后续的光伏电站能真正落实相关要求；真正让电站安心无忧，让我们的碳中和之路走得更稳更踏实。
