光伏直流側(cè)安全日益重要，隔離開關(guān)能否實現(xiàn)安全保護(hù)
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發(fā)布日期： 2021.05.31
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一、光伏電站安全備受矚目
3060目標(biāo)下， 光伏發(fā)電將由補充能源向主力能源轉(zhuǎn)變，光伏電站的安全性也備受關(guān)注。近日，逆變器廠家、認(rèn)證機構(gòu)和開關(guān)器件廠家均提出在逆變器直流側(cè)增加電動隔離開關(guān)，以期在故障發(fā)生時快速切斷光伏組件與逆變器的連接，提高光伏電站的安全性。多家媒體進(jìn)行了相關(guān)報道：‘電站安全必須重視！華為、陽光、鑒衡認(rèn)證力推“智能分?jǐn)嗉夹g(shù)”’。
什么是智能分?jǐn)嗉夹g(shù)？這個高科技給光伏電站的安全性帶來哪些影響，能否替代傳統(tǒng)的熔斷器和斷路器實現(xiàn)故障狀態(tài)下的有效保護(hù)？筆者帶著這些疑問咨詢了行業(yè)內(nèi)相關(guān)專家，并結(jié)合IEC國際相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了仔細(xì)研究。
二、逆變器廠家直流側(cè)增加“智能分?jǐn)嗉夹g(shù)”
根據(jù)逆變器廠家公開宣傳資料，所謂智能分?jǐn)嗉夹g(shù)就是在光伏逆變器
的直流側(cè)增加了電動隔離開關(guān)，通過逆變器的控制器實時檢測組串的電流、電壓等信號來判斷系統(tǒng)工作狀態(tài)。當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生故障時，逆變器可以自動控制隔離開關(guān)分?jǐn)喙收匣芈贰?/span>
目前市場上使用智能分?jǐn)嗉夹g(shù)的兩家主流廠商的逆變器，其中一種196kW逆變器采用4-5路組串輸入一路MPPT的設(shè)計（見圖1），另一種320kW逆變器采用兩路組串輸入一路MPPT的設(shè)計（見圖2）。
圖1 196KW逆變器直流側(cè)設(shè)計方案
圖2 320KW逆變器直流側(cè)設(shè)計方案
前幾年，關(guān)于光伏系統(tǒng)是否需要增加熔斷器來保護(hù)系統(tǒng)安全，行業(yè)人士曾進(jìn)行了深入的討論。如今，智能分?jǐn)嗉夹g(shù)是否真的能提高系統(tǒng)安全性？是否滿足IEC等相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的要求？
三、IEC標(biāo)準(zhǔn)對光伏系統(tǒng)直流側(cè)保護(hù)有詳細(xì)要求
1）什么情況下需要過流保護(hù)？
IEC 62548 6.5.3：光伏系統(tǒng)是否需要在每個組串中安裝過流保護(hù)器件由組串并聯(lián)數(shù)量確定。
注：Ns代表組串并聯(lián)數(shù)量，ISC-MOD代表光伏組件短路電流，IMOD-MAX-OCPR代表光伏組件最大過電流保護(hù)額定值。
當(dāng)并聯(lián)組串?dāng)?shù)量超過2串時，需要在每個組串中安裝過流保護(hù)器件。對逆變器而言，即每路MPPT接入的組串?dāng)?shù)量達(dá)到3串及以上時，需要在每個組串增加過流保護(hù)器件。
2）有哪些過流保護(hù)器件？
IEC 60364-7-712 712.533：光伏系統(tǒng)直流側(cè)過流保護(hù)器件必須是滿足IEC 60269-6的光伏專用熔絲或滿足IEC60947-2的斷路器。
通過對該標(biāo)準(zhǔn)的解讀，是否意味著隔離開關(guān)實際上并不能替代熔斷器和斷路器作為直流過流保護(hù)器件使用呢？
為了進(jìn)一步明確智能隔離開關(guān)能否作為保護(hù)器件，筆者對三種器件的保護(hù)機理做了分析如下：
熔斷器： 當(dāng)電路中電流超過規(guī)定值一段時間后，熔斷器以自身產(chǎn)生的熱量使熔體熔化，從而斷開電路，保護(hù)關(guān)鍵設(shè)備。
斷路器： 當(dāng)前光伏系統(tǒng)常用的斷路器主要有磁脫扣和熱脫扣兩種。磁脫扣型的工作原理為：大電流產(chǎn)生的磁場克服反力彈簧，脫扣器拉動操作機構(gòu)動作，開關(guān)瞬時跳閘；熱脫扣型的工作原理為：電流變大，發(fā)熱量加劇，雙金屬片變形到一定程度推動機構(gòu)動作。
智能分?jǐn)喔綦x開關(guān)： 通過高精度直流傳感器實時檢測每路組串電流，當(dāng)檢測到故障時，通過逆變器自動控制直流分?jǐn)嚅_關(guān)斷開故障回路。
綜合上述三種器件的保護(hù)機理可見，熔斷器和斷路器屬于被動式保護(hù)，即當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)短路等故障時，不依賴于外部電路即可以實現(xiàn)保護(hù)，而采用智能分?jǐn)嗉夹g(shù)的隔離開關(guān)是否能可靠斷開故障回路則依賴于檢測、控制等外部回路，當(dāng)系統(tǒng)掉電或控制回路出現(xiàn)故障時，隔離開關(guān)存在斷不開的風(fēng)險。
因此，從安全性來說，采用隔離開關(guān)代替熔斷器或斷路器作為保護(hù)器件使用存在較大的系統(tǒng)風(fēng)險。在具體系統(tǒng)設(shè)計中，對于2路組串并聯(lián)的系統(tǒng)（圖3），根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)原本不需要安裝過流保護(hù)器件，在直流側(cè)增加可以分?jǐn)嗟母綦x開關(guān)在一定程度上提高了安全性，當(dāng)發(fā)生組串短路或者反接時，即使隔離開關(guān)無法斷開，系統(tǒng)中最大的短路電流或倒灌電流均只有1倍組件短路電流，不會出現(xiàn)持續(xù)發(fā)熱起火等風(fēng)險。
但是，如果并聯(lián)組串?dāng)?shù)量超過2串，例如：4串或5路組串并聯(lián)接入1路MPPT（圖4），當(dāng)隔離開關(guān)因各種原因無法斷開時，如果其中1個回路發(fā)生短路，其余4串電流將會流向短路點，即故障回路將承受4倍短路電流，線纜等相關(guān)部件將會因持續(xù)過流而損壞甚至發(fā)生火災(zāi)。特別是當(dāng)系統(tǒng)由于施工不當(dāng)出現(xiàn)反接時，嚴(yán)重的倒灌電流（4*Isc）將使被反接的光伏組件發(fā)生過熱和起火等更大的故障。
圖3 2路組串接1路MPPT的故障電流分析
圖4 5路組串接1路MPPT的故障電流分析
五、結(jié)論
綜上分析可知，雖然 隔離開關(guān)
的智能分?jǐn)嗉夹g(shù)在一定程度上增加了系統(tǒng)的安全性，但其并不能取代熔斷器和斷路器作為直流保護(hù)使用，特別是當(dāng)并聯(lián)組串?dāng)?shù)量超過2串時，建議在隔離開關(guān)之外，每個組串仍需要增加熔斷器或斷路器作為過流保護(hù)器件。
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