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光伏系统中直流汇流箱的选择

发表时间：2020/9/27 来源：《基层建设》2020年第17期作者：闻宇

[导读] 摘要：本文主要根据《光伏汇流箱技术规范》CGC GF 002-2010、《汇流设备技术规范》CGC GF 037-2014、《光伏发电站汇流箱技术要求》GB T 34936-2017以及《低压熔断器第6部分：太阳能光伏系统保护用熔断体的补充要求》GB T 13539.6-2013规范，针对直流汇流箱内部的相关元器件进行正确计算。

        捷通智慧科技股份有限公司北京 100015
        摘要：本文主要根据《光伏汇流箱技术规范》CGC GF 002-2010、《汇流设备技术规范》CGC GF 037-2014、《光伏发电站汇流箱技术要求》GB T 34936-2017以及《低压熔断器第6部分：太阳能光伏系统保护用熔断体的补充要求》GB T 13539.6-2013规范，针对直流汇流箱内部的相关元器件进行正确计算。一、直流熔断器的计算，其目的主要为了保护太阳能电池板。二、防反二级管的计算，其目的主要避免由于太阳电池方阵在阴雨或出现短路故障时．其中一路或几路电压降低，未发生故障的高电压回来回向发生故障的低电压回路反送电，造成对太阳能电池板的损害。三、直流断路器的计算。其目的主要是提供电流过载和短路保护功能，并具有隔离的功能。四、浪涌保护器的计算。其目的主要是为了保护直击雷及其电磁脉冲对直流汇流箱的损害。通过以上对相关主要元器件的计算，经济、合理的选择出直流汇流箱。
        关键词：直流汇流箱；直流熔断器；防反二极管；直流断路器；浪涌保护器；
        引言
        在大中型光伏系统中，光伏阵列中组件串数量多、输出多，必须需要一个设备把这些输出集中起来，使之可以直接连在逆变器上。直流汇流箱可以减少光伏组件与逆变器之间的连接线，减少了系统成本，方便维护，提高可靠性，一般需要在光伏组件与逆变器之间增加直流汇流装置。使用光伏直流汇流箱，用户可以根据逆变器输入的直流电压范围，把一定数量的规格相同的光伏组件串联成一个光伏组件串列，再将若干个组件串列接入光伏直流汇流箱，通过浪涌保护器和直流断路器后输出，极大的方便了后级逆变器的接入。
        本文结合光伏相关规范要求及本人在过往项目中亲自选择直流汇流箱的经验，针对直流汇流箱的选择进行简要分析与研究。
        一、基本条件说明
        1、直流汇流箱构成
        直流汇流箱由箱体、直流熔断器、防反二极管、直流断路器、浪涌保护器（SPD）、正极端子、负极端子和接地端子等组成。
        2、直流汇流箱的工作原理
        直流汇流箱接入多个光伏组串，通过直流熔断器保护后，接入防反二极管，防止太阳能光伏阵列中串联起来的光伏电池板有逆流的产生，再通过直流断路器，接入到逆变器中。浪涌保护器可以将雷电产生的过大电流泄放掉从而避免对汇流箱带来的损害。
        3、直流汇流箱的使用环境
        （1）环境温度要求：直流汇流箱工作的额定环境温度为-25℃~﹢50℃（可以安装在没有阳光直射的地方，如建筑外墙的北面）；
        （2）相对湿度要求：5%~95%，直流汇流箱内部不应凝露，也不应结冰；
        （3）海拔高度小于等于2000m；
        （4）无剧烈振荡冲击，垂直倾斜角度小于等于5度；
        （5）空气中不含有腐蚀性及爆炸性的微粒和气体。
        二、直流汇流箱的选择及要求
        1、箱体和结构的要求
        直流汇流箱应该具备足够的机械强度，在正常使用时可以承受可能遇到的冲击和碰撞而不引起危险，元器件应可靠地固定且电气连接应牢固可靠。直流汇流箱的结构和机柜本身的制造质量、主电路连接及电气元件安装等应符合下列要求：
        （1）机架组装有关零部件均应符合各自的技术要求；
        （2）箱体应牢固、平整，表面应光滑平整，涂覆的颜色应均匀一致，无明显的色差和眩光，表面应无砂粒、锈蚀、褶皱和流痕等缺陷。
        （3）机架面板平整，文字和符号要求清楚、整齐、规范、正确。
        （4）标牌、标志、标记应完整清晰。
        （5）各种锁扣应便于操作，灵活可靠。
        （6）在直流汇流箱的显著位置上，标有箱内金属部件带电的警示标志。
        （7）直流汇流箱的防护等级不应低于IP65。
        2、直流熔断器的选择求
        （1）太阳能光伏系统保护用熔断体应该具有全分断能力的熔断体，即为 “gPV”熔断体；
        （2）直流熔断器额定电压大于等于光伏汇流设备的额定电压；
        （3）直流熔断器额定电流大于等于1.4倍的光伏组串的短路电流；
        3、防反二极管的选择
        防反二极管可阻止部分光伏方阵产生的反向电流。
        （1）额定电压大于等于2倍光伏汇流设备的额定电压；
        （2）额定电流大于等于1.4倍光伏光伏组串的额定电流；
        4、直流断路器的选择
        （1）额定电压大于等于光伏设备的额定电压（铭牌上需标明直流额定电压）；
        （2）额定电流大于等于1.25倍光伏子方阵短路电流；
        （3）直流短路器应为无极性的（光伏方阵中的故障电流会造成电流反方向，此时断路器也能正常动作）；
        （4）直流断路器若采用的多端点串联形式，各触头在结构设计上应保证同步接触与分断；
        （5）直流断路器在电路中起过载、短路保护功能，并具有隔离的功能。
        5、浪涌保护器（SPD）的选择
        （1）最大持续工作电压大于1.3倍的直流系统电压；
        （2）标称放电电流In（8/20）大于等于20kA；
        （3）浪涌保护器应具有脱离器和故障指示功能；
        （4）保护电压水平（Up）：应满足表1要求；
        表1 电压保护水平

        6、直流汇流箱接地要求
        光伏汇流设备中所有可接触的裸露导电部件应连接在一起，并连接至接地导体或接地装置上，接地电路中的任何一点到接地端子之间的电阻应不超过0.1Ω。
        保护地导线的电气连接应采用下列连接方法：
        （1）通过金属直接接触连接；
        （2）通过其他安装固定的可接触导电部件连接；
        （3）通过专门的保护接地导线连接；
        （4）通过汇流设备中的其他金属零部件连接。
        三、案例分析
        1、项目概况
        山西金能移动能源有限公司办公楼项目，位于山西省太原市小店区武洛街31号。该建筑周围无爆炸性、腐蚀性气体，当地海拔高度约为800米，当地最高温度约为39℃，最低温度约为-20℃。太阳能光伏发电组件安装于该建筑南立面非采光区域。安装组件数量为720块。每块组件功率为140Wp，即安装功率为100.8kW。
        2、光伏组件信息
        表3-1 发电墙电气参数

        根据光伏组件信息、逆变器最大直流输入电压及当地最低温度计算得出，每8块光伏组件组成一个组件串列，每9个光伏组串接入一个汇流箱，共10台汇流箱。光伏系统电压为1000V。
        3、直流汇流箱的计算
        （1）直流熔断器的计算
        直流熔断器的额定电流=1.4x1.72=2.408A；
        直流熔断器的额定电压=1000V DC；
        因此选用：额定电压1000V DC，额定电流3A的熔断器。
        （2）防反二极管的计算
        防反二级管的额定电流=1.4x1.63=2.282A；
        防反二级管的额定电压=2x1000=2000V DC；
        因此选用：额定电压2000V DC，额定电流3A的防反二极管。
        （3）直流断路器的计算
        直流断路器的额定电流=1.25x1.72x9=19.35A；
        直流断路器的额定电压=1000V DC；
        因此选用：额定电压1000V DC，额定电流20A的断路器。
        （4）浪涌保护器（SPD）的计算
        浪涌保护器（SPD）的额定电压=1.3x1000=1300V DC
        标称放电电流In（8/20）=20kA
        因此选用：额定电压1300V DC，标称放电电流20KA的浪涌保护器。
        4、直流汇流箱系统图

        图3-1 汇流箱系统图
        结论
        直流汇流箱作为光伏系统的主要设备，一般需要在光伏组件与逆变器之间增加直流汇流箱，100%电流都从直流汇流箱流过，为了保证直流汇流箱能够安全可靠的运行，则必须对直流汇流箱内部的直流熔断器、防反二极管、直流断路器及浪涌保护器（SPD）正确计算，从而确保直流汇流箱准确选型。
        参考文献：
        [1] 《光伏汇流箱技术规范》（CGC GF 002：2010）
        [2] 《汇流设备技术规范》（CGC GF 037：2014）
        [3] 《光伏发电站汇流箱技术要求》（GB T 34936-2017）
        [4] 《低压熔断器第6部分：太阳能光伏系统保护用熔断体的补充要求》（GB T 13539.6-2013）