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光伏直流侧安全备受关注，三种断路保护方案对比分析

发布于：2022-11-22 16:02:22 来自：电气工程/电气工程原创版块 [复制转发]

知识点：光伏直流端口

一、光伏电站直流侧安全备受瞩目！

3060目标下，光伏发电将由补充能源向主力能源转变，光伏电站的安全性也备受关注。

近日，多家逆变器企业、认证机构和开关器件厂家均提出在逆变器直流侧增加电动隔离开关，以期在故障发生时快速切断光伏组件与逆变器的连接，提高光伏电站的安全性。

目前，实现故障状态下有效保护的技术有三种：熔断器、断路器、智能分断技术，前两者为传统的故障保护装置。什么是“智能分断技术”？能否替代传统的熔断器和断路器实现故障状态下的有效保护？

二、智能分断技术介绍

根据逆变器厂家公开宣传资料，智能分断技术为：

在光伏逆变器的直流侧增加了电动隔离开关，通过逆变器的控制器实时检测组串的电流、电压等信号来判断系统工作状态。当系统发生故障时，逆变器可以自动控制隔离开关分断故障回路。

目前市场上使用智能分断技术的两家主流厂商的逆变器，其中一种196kW逆变器采用4-5路组串输入一路MPPT的设计（见图1），另一种320kW逆变器采用两路组串输入一路MPPT的设计（见图2）。

图1：196kW逆变器直流侧设计方案

图2：320kW逆变器直流侧设计方案

前几年，关于光伏系统是否需要增加熔断器来保护系统安全，行业人士曾进行了深入的讨论。

如今，智能分断技术是否真的能提高系统安全性？是否满足IEC等相关标准的要求？

三、三种直流侧保护装置介绍

1、什么情况下需要过流保护？

IEC 62548 6.5.3：光伏系统是否需要在每个组串中安装过流保护器件由组串并联数量确定。

注：Ns代表组串并联数量，ISC-MOD代表光伏组件短路电流，IMOD-MAX-OCPR代表光伏组件最大过电流保护额定值。

当并联组串数量超过2串时，需要在每个组串中安装过流保护器件。对逆变器而言，即每路MPPT接入的组串数量达到3串及以上时，需要在每个组串增加过流保护器件。

2、有哪些过流保护器件？

IEC 60364-7-712 712.533：光伏系统直流侧过流保护器件必须是满足IEC 60269-6的光伏专用熔丝或满足IEC 60947-2的断路器。

通过对该标准的解读，是否意味着隔离开关实际上并不能替代熔断器和断路器作为直流过流保护器件使用呢？

为了进一步明确智能隔离开关能否作为保护器件，笔者对三种器件的保护机理做了分析如下：

1）熔断器

当电路中电流超过规定值一段时间后，熔断器以自身产生的热量使熔体熔化，从而断开电路，保护关键设备。

2）断路器

当前光伏系统常用的断路器主要有磁脱扣和热脱扣两种。磁脱扣型的工作原理为：大电流产生的磁场克服反力弹簧，脱扣器拉动操作机构动作，开关瞬时跳闸；热脱扣型的工作原理为：电流变大，发热量加剧，双金属片变形到一定程度推动机构动作。

3）智能分断隔离开关

通过高精度直流传感器实时检测每路组串电流，当检测到故障时，通过逆变器自动控制直流分断开关断开故障回路。

综合上述三种器件的保护机理可见，

熔断器和断路器：属于被动式保护，即当系统出现短路等故障时，不依赖于外部电路即可以实现保护；

智能分断技术：其隔离开关是否能可靠断开故障回路则依赖于检测、控制等外部回路，当系统掉电或控制回路出现故障时，隔离开关存在断不开的风险。

因此，从安全性来说，采用隔离开关代替熔断器或断路器作为保护器件使用存在较大的系统风险。

在具体系统设计中，对于2路组串并联的系统（图3），根据标准原本不需要安装过流保护器件，在直流侧增加可以分断的隔离开关在一定程度上提高了安全性，当发生组串短路或者反接时，即使隔离开关无法断开，系统中最大的短路电流或倒灌电流均只有1倍组件短路电流，不会出现持续发热起火等风险。

然而，如果并联组串数量超过2串，例如：4串或5路组串并联接入1路MPPT（图4），当隔离开关因各种原因无法断开时，如果其中1个回路发生短路，其余4串电流将会流向短路点，即故障回路将承受4倍短路电流，线缆等相关部件将会因持续过流而损坏甚至发生火灾。特别是当系统由于施工不当出现反接时，严重的倒灌电流（4*Isc）将使被反接的光伏组件发生过热和起火等更大的故障。