DQZHAN訊：直流熔斷器在光伏系統(tǒng)直流側(cè)配置的分析

摘要：

直流熔斷器作為光伏電站直流側(cè)配置的保護(hù)元件，各設(shè)計(jì)方案中存在一定的差異。本文首先描述熔斷器的保護(hù)原理、應(yīng)用情況，結(jié)合各標(biāo)準(zhǔn)的技術(shù)要求，提出光伏直流熔斷器的參數(shù)配置要求；再結(jié)合目前國(guó)際主流設(shè)計(jì)方案及設(shè)備方案，對(duì)其存在問題及優(yōu)勢(shì)進(jìn)行闡述。結(jié)論認(rèn)為：直流熔斷器配置對(duì)保障光伏電站**可靠運(yùn)行具有舉足輕重的作用，不可或缺。

1.前言

2014年我國(guó)光伏電站新增裝機(jī)容量10.6GW，位列****。2015年國(guó)家能源局規(guī)劃新建光伏電站容量17.8GW，預(yù)計(jì)年內(nèi)我國(guó)光伏電站累計(jì)裝機(jī)容量將位列****。

我國(guó)在光伏電站快速發(fā)展中，針對(duì)直流熔斷器在光伏系統(tǒng)直流側(cè)配置與否各設(shè)計(jì)方案、設(shè)備方案中還存在差異。本文將從直流熔斷器保護(hù)原理的基礎(chǔ)上，對(duì)此差異進(jìn)行分析。

2.直流熔斷器保護(hù)原理

光伏電站直流側(cè)根據(jù)光伏逆變器方案配置的不同，分別將多個(gè)組串并聯(lián)匯集至直流匯流箱（集中式逆變器方案）或組串式逆變器（組串式逆變器方案）的直流母線。

當(dāng)若干光伏組串并聯(lián)，如某組串發(fā)生短路故障，直流母線上的其它組串的和電網(wǎng)將向短路點(diǎn)提供短路電流。如缺少相應(yīng)的保護(hù)措施，將導(dǎo)致光伏組件、與之聯(lián)接的電纜等設(shè)備燒毀。同時(shí)，可能引起設(shè)備附近的附著物的燃燒。目前國(guó)內(nèi)發(fā)生多起類似的屋頂光伏火災(zāi)事故，因此需在各組串的并聯(lián)回路安裝保護(hù)器件以增強(qiáng)光伏電站**。同時(shí)，標(biāo)準(zhǔn)IEC62548[1]針對(duì)光伏電站直流側(cè)的過電流保護(hù)也進(jìn)行了明確要求。

基于此，光伏電站設(shè)計(jì)方案中多在各并聯(lián)組串回路中串入直流熔斷器。

2.1.熔斷器的應(yīng)用情況

串聯(lián)在電路中的熔斷器利用金屬的熱熔特性在設(shè)備出現(xiàn)過電流時(shí)切斷電路，以保障電路**運(yùn)行。其作為過電流保護(hù)裝置的一種，廣泛應(yīng)用于電力系統(tǒng)、電力電子、電信通信、軌道交通、光伏發(fā)電系統(tǒng)等新能源、工業(yè)自動(dòng)化、宇航及**等相關(guān)行業(yè)。

目前光伏行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)解決方案是采用熔斷器用于過電流保護(hù)。熔斷器已成為光伏電站普遍應(yīng)用的保護(hù)器件，廣泛的應(yīng)用于匯流箱、逆變器中，國(guó)際主流逆變器廠家也都將熔斷器作為直流保護(hù)的基本元件。同時(shí)，熔斷器廠家如Bussman、Littelfuse等也推出了光伏專用直流熔斷器。

2.2.光伏電站中對(duì)熔斷器保護(hù)的技術(shù)要求

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)IEC61730-2[2]要求：光伏組件需具備承受反向電流過載能力。其對(duì)承受反向過電流試驗(yàn)的規(guī)定如下：若采用*大保險(xiǎn)絲額定電流15A的光伏組件，需在20.25A（1.35倍）下進(jìn)行2小時(shí)測(cè)試，要求組件不能燃燒、與組件接觸的細(xì)紗棉布和白薄紙均應(yīng)無(wú)燃燒或焦斑，以及MST17試驗(yàn)（濕漏電流試驗(yàn)）應(yīng)滿足與*初測(cè)試的相同。

因此，光伏組件按照IEC61730-2認(rèn)證的組件應(yīng)具備在承受1.35倍的反向電流2h的能力。

針對(duì)上述要求，從增強(qiáng)光伏組件的**性、延長(zhǎng)其壽命，應(yīng)對(duì)光伏逆變器（或直流匯流箱）側(cè)的直流母線采取保護(hù)措施。因此，IEC60269-6[3]標(biāo)準(zhǔn)對(duì)光伏用熔斷器（15A）的技術(shù)要求為：“需在電流為21.75A（1.45倍）情況下1小時(shí)內(nèi)熔斷”。而在UL2579[4]標(biāo)準(zhǔn)中則要求“需在電流為20.25A（1.35倍）情況下1小時(shí)內(nèi)熔斷”。

綜合組件反向電流過載能力（IEC61730-2）來(lái)看，UL標(biāo)準(zhǔn)的要求更合理，而IEC60269-6標(biāo)準(zhǔn)也將對(duì)其要求矛盾之處做出修訂：對(duì)于額定電流為32A以下(含32A)的熔斷器要求通過1.35倍額定電流時(shí)應(yīng)在1h內(nèi)熔斷。而對(duì)技術(shù)反應(yīng)迅速的主流熔斷器廠家如Bussmann、Littelfuse在設(shè)計(jì)光伏專用熔斷器時(shí)，亦對(duì)上矛盾之處更新了產(chǎn)品參數(shù)要求。

因此當(dāng)熔斷器的熔斷電流不大于光伏組件可耐受反向電流限值且熔斷時(shí)間不大于光伏組件可耐受反向電流時(shí)間時(shí)，熔斷器可實(shí)現(xiàn)對(duì)光伏組件的保護(hù)。

2.3.光伏系統(tǒng)中熔斷器應(yīng)用現(xiàn)狀

為了避免直流側(cè)短路造成的設(shè)備損失。目前，主流的技術(shù)方案均在直流側(cè)增加熔斷器。同時(shí)，國(guó)際主流的逆變器設(shè)備商亦要求直流側(cè)增加熔斷器。例如：SMA公司推出的ST12000/15000/20000/24000TL-US系列逆變器；Sungrow公司推出的SG60KTL/SG40KTL系列逆變器；Kaco公司推出的Powador60.0TL3逆變器等均采用直流熔斷器保護(hù)的設(shè)計(jì)方案。而對(duì)于目前存在的每路MPPT中的兩路組串并聯(lián)的設(shè)備方案，按照上述技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的要求，仍需配置熔斷器等過流保護(hù)器件對(duì)設(shè)備進(jìn)行保護(hù)。不采用熔斷器等過流保護(hù)器件或僅采用二極管用于反向電流保護(hù)均存在**隱患，可能導(dǎo)致設(shè)備燒毀，甚至引發(fā)火災(zāi)。

顯而易見，光伏逆變器直流側(cè)（或直流匯流箱）母線配置熔斷器為光伏電站直流側(cè)設(shè)計(jì)的主流方案。

2.4.熔斷器保護(hù)可能存在的問題

與各類電力工程的中的斷路器等保護(hù)裝置類似，因熔斷器的配置，不可避免的增加了“斷點(diǎn)”，但目前的的技術(shù)手段可避免因設(shè)備損壞引起的電量損失。

1）針對(duì)組串式逆變器，因其自身具備組串檢測(cè)能力，可完成每路組串電流電壓采集；可實(shí)現(xiàn)熔斷器的快速檢測(cè)；及時(shí)更換設(shè)備，降低組串開路的時(shí)間。

2）針對(duì)集中式逆變器組成的光伏電站，目前智能匯流箱同樣具備組串檢測(cè)能力。也可避免上述問題。

3.結(jié)論

綜上所述，無(wú)論從熔斷器的保護(hù)原理；光伏電站的規(guī)范要求、應(yīng)用現(xiàn)狀來(lái)看。光伏電站的直流配置側(cè)配置熔斷器有其合理性及必要性。

1）光伏組件作為光伏電站的主要設(shè)備投資，應(yīng)保護(hù)其設(shè)備的**性。同時(shí)，根據(jù)國(guó)際通用標(biāo)準(zhǔn)的要求，應(yīng)配置熔斷器實(shí)現(xiàn)對(duì)其保護(hù)。

2）通過對(duì)技術(shù)規(guī)范合理性的對(duì)比分析，選用的直流熔斷器應(yīng)滿足1.35倍額定電流下1小時(shí)內(nèi)熔斷的技術(shù)要求。

3）熔斷器為目前廣泛應(yīng)用于光伏電站直流側(cè)保護(hù)方案，為主流設(shè)計(jì)方案。國(guó)際主流的逆變器廠家均按照前文IEC的標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)規(guī)定，在直流側(cè)配置熔斷器作為保護(hù)器件。

4）目前光伏電站中無(wú)論是集中式方案還是組串式方案，均可實(shí)現(xiàn)對(duì)熔斷器故障的快速檢測(cè)，并及時(shí)更換。反之，對(duì)無(wú)熔斷器等過流保護(hù)元件的系統(tǒng)，一次短路所引起的事故造成的損失將可能是災(zāi)難性的，尤其是在建筑光伏和少人值守的大型并網(wǎng)光伏電站中。