分布式光伏发电一次设备故障机理分析与防护技术研究

随着“双碳”目标的提出，分布式光伏发电作为清洁能源的重要组成部分，正在我国能源结构转型中发挥日益重要的作用。其并网灵活、建设周期短、场地利用率高等优势，使其在工业厂房、商业综合体、公共建筑及农业设施中快速普及。这些故障不仅影响发电量，还可能引发安全事故，如直流拉弧、电气火灾、设备绝缘击穿等。因此，深入研究分布式光伏一次设备故障的产生原因，建立针对性防护体系，对于提升系统运行安全性与经济性具有重要意义。

1 分布式光伏发电系统一次设备概述

1.1 分布式光伏发电系统结构特点

分布式光伏发电系统主要由光伏组件、直流汇流箱、组串式逆变器、升压变压器、并网开关设备以及配套的监控与保护装置构成。其直流侧电压一般在500V～1500V之间，交流侧多采用380V或10kV并网方式。与集中式电站相比，分布式光伏发电系统多为屋顶或地面分散布局，电缆敷设路径复杂，设备分布不集中，运维难度较大[1]。

系统结构上，多采用组串式逆变器直连组件组串的方式，减少了集中式逆变器的单点故障风险；同时，配套的箱式变电站承担电压升压及并网保护功能，通常配置高压开关、计量装置及继电保护。

1.2 一次设备在系统中的作用

一次设备是实现电能采集、变换与传输的核心硬件，其性能直接决定发电效率与运行安全。光伏组件将太阳辐射能转换为直流电能；直流汇流箱实现多路组串的汇流并提供熔断及防雷保护；组串式逆变器将直流电转换为交流电并实现最大功率点跟踪（MPPT）；箱式变电站则完成电压升压及隔离保护功能。一旦一次设备发生故障，将直接导致发电量下降，甚至引发停电事故。

1.3 分布式光伏一次设备运行环境特征

分布式光伏一次设备通常暴露在室外，长期承受紫外线辐射、温湿度变化、风荷载、雪荷载及粉尘污染等环境应力。此外，部分工业厂区存在酸碱腐蚀性气体、油雾等特殊环境因素，进一步加速设备老化。运行工况的不稳定性，使得设备绝缘退化、接插件松动、功率器件热失效等问题更易发生。

2 分布式光伏一次设备典型故障机理分析

2.1 光伏组件故障机理

光伏组件故障主要包括隐裂、热斑效应、封装材料老化、背板开裂及接线盒进水等。隐裂通常由于运输、安装或风荷载引起，导致电池片局部失效；热斑效应由组件局部遮挡或焊接虚接引起，产生局部过热并加速材料老化；封装材料在长期紫外线照射下会发生黄变，透光率降低；背板开裂与接线盒进水会导致绝缘性能下降，增加漏电与拉弧风险[2]。

2.2 直流汇流箱故障机理

直流汇流箱作为组串与逆变器之间的汇流节点，其故障主要表现为熔断器熔断、直流断路器击穿、防雷器失效及接线端子松动等。熔断器熔断可能由组串短路或过流引起；直流断路器在高压直流拉弧下易发生触头烧蚀；防雷器在多次浪涌冲击后会失效失去保护功能；接线端子松动会导致接触电阻增大，产生发热甚至引发火灾[3]。

2.3 组串式逆变器故障机理

组串式逆变器内部包含IGBT功率模块、控制电路、滤波电容及风扇等关键部件。功率模块在高温、高负载下易发生热击穿；控制电路受雷击或浪涌干扰可能失效；滤波电容在长期工作中会发生电解液干涸、容量衰减；风扇轴承磨损导致散热不足，增加器件热失效概率。

3 宁德时代5.04MW屋顶分布式光伏项目一次设备故障防护实践

3.1 工程概况

四川华电宜宾市宁德时代 5.04MW屋顶分布式光伏项目为典型的工业厂区屋顶光伏工程，采用“全自发自用”模式，由10kV汇集开关站接入厂区2#高压配电房。项目共安装620Wp单晶硅光伏组件9768 块，总直流装机容量 6056.16kWp ，安装 320kW组串式逆变器 12 台、300kW组串式逆变器 4台，交流侧逆变器总容量 5040kW ，配套 2 台 2000kVA箱变、1 台 1250kVA箱变及1 座10kV汇集开关站。

图1 总平面布置图

其中，凹版厂房、横组厂房、食堂及车棚等多个分区分别布置组件，倾角统一为 3^∘ ，组件尺寸为 2382^*1134^*30mm ，采用小角度铺设以降低风荷载并提高屋面利用率。厂区电缆敷设方式结合预留管道与穿管直埋，既保证了电气安全，又减少了敷设工程量。

3.2 案例防护策略与实际效果

在该项目中，针对屋顶及车棚分布式布局带来的环境差异与运行风险，采取了多项防护措施：

（1）组件选型与安装：选用高转换效率的单晶硅组件，玻璃具备高透光率与抗PID性能；支架系统采用防腐镀锌钢材，关键连接处加装绝缘垫片，减少电化学腐蚀。

（2）直流汇流与逆变器保护：在汇流箱及逆变器直流输入端配置高分断能力直流断路器与熔断器，并设置二级防雷保护，接地电阻控制在≤4Ω。

（3）箱变与高压并网安全：箱变配备温湿度控制系统，防止凝露及过热；高压侧配置真空断路器与继电保护装置，实现过流、过压、欠压及单相接地保护。

（4）运维监控：建立组件级监控系统，对各组串电压、电流进行实时采集与分析，利用红外热像仪定期检测热斑与接触发热，确保在故障早期进行干预。

运行数据表明，该项目在投运一年后，设备故障率低于 0.3% ，发电性能比（PR）维持在 82% 以上，验证了所提出防护技术措施的有效性与可行性。

4 结语

分布式光伏一次设备在长期运行中不可避免地面临环境应力与电气冲击的双重挑战，其故障机理涉及材料老化、机械疲劳、电气击穿及热失效等多种过程。本文通过对光伏组件、直流汇流箱、组串式逆变器及箱式变电站等设备的典型故障进行机理分析，提出了涵盖设计、施工、运行维护全周期的防护技术体系。以四川华电宜宾市宁德时代 5.04MW屋顶分布式光伏项目为例的工程实践表明，科学选型、精细化安装与智能化运维相结合，能够显著降低故障发生率并提升系统发电效率。

参考文献

[1]丁英魁，陈洪，马春燕.适应分布式光伏电源接入的变电站进线故障防护与保护策略探讨[J].电气技术与经济，2025，（02）：304-306.

[2]黄敏聪.分布式光伏电站运维问题及关键技术研究[J].光源与照明，2024，（07）：135-137.

[3] 梁晨. 火电厂电气一次设备状态检修要点研究[J]. 建材与装饰，2018，（29）：239-240.