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無直流熔斷器的組串逆變器存在安全陷阱

2018-06-06 15:11:56 大云網(wǎng)  點(diǎn)擊量: 評論 (0)
光伏系統(tǒng)直流側(cè)一般由多個(gè)組串并聯(lián),無論是集中式還是組串式逆變器方案,使用熔斷器作為直流側(cè)過流保護(hù)已是行業(yè)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)解決方案。

1、引言

熔斷器作為一種過電流保護(hù)器件,串聯(lián)在電路中,可在系統(tǒng)出現(xiàn)短路故障時(shí)及時(shí)切斷故障回路,保障系統(tǒng)安全,因此廣泛應(yīng)用于各種電氣系統(tǒng)中,光伏系統(tǒng)直流側(cè)保護(hù)也不例外。光伏系統(tǒng)直流側(cè)一般由多個(gè)組串并聯(lián),無論是集中式還是組串式逆變器方案,使用熔斷器作為直流側(cè)過流保護(hù)已是行業(yè)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)解決方案。近年來,部分廠家提出對于每路MPPT中僅有兩路組串并聯(lián)的組串式逆變器,直流側(cè)不需要熔斷器保護(hù)的觀點(diǎn)。筆者通過對系統(tǒng)結(jié)構(gòu)深入分析和IEC標(biāo)準(zhǔn)研究發(fā)現(xiàn),該系統(tǒng)中如果沒有熔斷器等過流保護(hù)器件存在巨大的安全隱患,也不符合IEC62548《光伏陣列設(shè)計(jì)要求》。

2、兩組串并聯(lián)系統(tǒng)無熔斷器保護(hù)的風(fēng)險(xiǎn)分析

2.1 兩組串并聯(lián)系統(tǒng)等效電路

兩組串并聯(lián)系統(tǒng)等效電路如圖1(a)所示,系統(tǒng)由多路MPPT輸入回路組成,每路MPPT接兩路組串,各光伏組串通過Boost升壓電路后并聯(lián)在一起,前級Boost升壓電路一般都并聯(lián)旁路元件,目的是當(dāng)電壓升高后將Boost升壓電路旁路,提高系統(tǒng)的效率。

圖1 兩組串并聯(lián)系統(tǒng)等效電路

當(dāng)Boost升壓電路工作時(shí),Boost升壓電路在串聯(lián)回路中可等效為一個(gè)電感和二極管,如圖1(b)所示。當(dāng)Boost升壓電路不工作時(shí),電流將流過旁路元件,如圖1(c)所示。當(dāng)僅僅分析電路反向電流阻擋特性時(shí),無論Boost升壓電路工作還是不工作,電路都可簡化等效成如圖1(d)所示的等效電路,即光伏組串與逆變器直流母線之間等效為二極管連接。

針對圖1所示的逆變系統(tǒng),部分廠家提出由于每路MPPT中僅有兩路組串并聯(lián),即使其中一個(gè)組串發(fā)生短路,短路電流僅僅在兩個(gè)組串之間流動(dòng),其他組串和直流側(cè)能量由二極管反向阻斷,不會(huì)對組件造成損壞,因此直流側(cè)不需要熔斷器保護(hù)。然而筆者通過分析發(fā)現(xiàn),該系統(tǒng)中如果沒有熔斷器等過流保護(hù)器件存在巨大的安全隱患,也不符合IEC62548要求。

2.2 風(fēng)險(xiǎn)1:短路點(diǎn)出現(xiàn)拉弧時(shí),增大火災(zāi)隱患

對于1000V光伏直流系統(tǒng),當(dāng)直流側(cè)由于絕緣破損、接頭松動(dòng)等短路現(xiàn)象時(shí),如果沒有熔斷器及時(shí)切斷故障回路,將持續(xù)產(chǎn)生拉弧,電弧在空氣中自由燃弧時(shí)電流可達(dá)200A以上,增大了火災(zāi)發(fā)生的隱患,甚至可能超過組件和線纜的耐受能力,引起組件和線纜損壞。

2.2 風(fēng)險(xiǎn)2:某些過載工況下下存在安全隱患

NEC690標(biāo)準(zhǔn)中提到了兩種過載情況,一種情況是在某種云覆蓋的條件下,云就相當(dāng)于放大鏡,并把陽光聚焦在光伏陣列上,光照強(qiáng)度比全日照時(shí)最多可高出25%,即直流輸入在ISC上增加了25%的電流,另一種情況是基于最大光伏電流是連續(xù)流動(dòng)的假設(shè),在連續(xù)運(yùn)行條件下,直流輸入須額外增加25%。因此,最終結(jié)果是,對于任何光伏源支路或者匯集單條源支路電流的光伏輸出電路,電路的載流容量大于125%ISC的125%,即相乘得出ISC的156%。對于高溫的屋頂光伏電站,環(huán)境溫度達(dá)到60℃時(shí),導(dǎo)線的降容因子為0.41,即直流導(dǎo)線載流能力大大減小,如果發(fā)生短路并持續(xù)一段時(shí)間,而又無熔斷器等過流保護(hù)器件來斷開故障回路,將導(dǎo)致線纜燃燒的風(fēng)險(xiǎn)加大,引發(fā)火災(zāi)。

2.3 風(fēng)險(xiǎn)3:二極管作為保護(hù)器件不符合標(biāo)準(zhǔn)要求

二極管的失效模式一般是短路狀態(tài),根據(jù)圖1(d)所示的兩組串并聯(lián)系統(tǒng)等效電路不難發(fā)現(xiàn),在某路MPPT的二極管損壞情況下,該路MPPT的組串相當(dāng)于與其余4路組串直接并聯(lián),即組串并聯(lián)數(shù)量變成6串,根據(jù)IEC62548《光伏陣列設(shè)計(jì)要求》[3]內(nèi)給出的判斷公式,一般情況下ISC-MOD在9A左右,IMOD-MAX-OCPR等于15A,因此,當(dāng)SA=6時(shí)判斷公式為(6-1)×9>15成立,需配置過流保護(hù)器件。過流保護(hù)器件可以采用斷路器或熔斷器,目前主流逆變器廠家通常采用熔斷器作為過流保護(hù)器件。

注:SA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。

如果沒有熔斷器等過流保護(hù)器件,當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生短路故障時(shí)根本無法阻止其他組串的能量以及逆變器直流母線和電網(wǎng)能量流向短路點(diǎn),可能造成組件和線纜的損壞,甚至引起火災(zāi)。如圖2所示。

圖2 兩組串并聯(lián)系統(tǒng)發(fā)生短路時(shí)的電流流向

IEC62548中也做了明確規(guī)定:"由于二極管的失效模式一般呈短路狀態(tài),在某些國家二極管不能用于過電流保護(hù)"。可見,二極管作為保護(hù)器件是不符合標(biāo)準(zhǔn)要求,二極管無法替代熔斷器等過流保護(hù)器件。

3、結(jié)論

對于每路MPPT中僅有兩路組串并聯(lián)的組串式逆變器,如果直流側(cè)沒有熔斷器等保護(hù)器件,當(dāng)短路點(diǎn)出現(xiàn)拉弧或在某些特殊環(huán)境條件下,可能會(huì)造成組件和線纜損壞,甚至引起火災(zāi)。同時(shí)IEC62548中也明確指出:二極管失效模式為短路狀態(tài),在某些國家二極管不能用于過電流保護(hù)。基于二極管反向阻斷原理的保護(hù)方式,不符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的要求。

因此,對于每路MPPT中僅有兩路組串并聯(lián)的組串式逆變器,直流側(cè)輸入端仍需使用熔斷器等過流保護(hù)器件,否則系統(tǒng)將存在巨大的安全隱患。(李鵬 文)

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責(zé)任編輯:蔣桂云

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