技術(shù)講解：光伏陣列保護用熔斷器的選擇與分析

光伏(solar photovoltaic，簡稱PV)發(fā)電系統(tǒng)是由能把入射的光能直接轉(zhuǎn)換為電能的部件和子系統(tǒng)構(gòu)成。其中的光伏陣列是將入射的太陽輻射直接轉(zhuǎn)化為直流電能的單元，太陽能板組成的陣列和光伏陣列連接箱連接，光伏電流經(jīng)連接箱匯流后輸出到逆變或直接應用環(huán)節(jié)。光伏發(fā)電系統(tǒng)約有70%的成本在光伏太陽能板組成的光伏陣列，而從對光伏陣列的保護和如何充分提高發(fā)電效率成為技術(shù)的重點之一。

為實現(xiàn)更高效率，要由多個光伏板串聯(lián)成光伏串，多個光伏串并聯(lián)成光伏陣列，光伏陣列內(nèi)各光伏串電流匯集到光伏陣列連接箱，再并聯(lián)在光伏發(fā)電器連接箱，其輸出供直接應用或經(jīng)逆變等處理。為及時隔離光伏板出現(xiàn)故障的光伏串，提高發(fā)電效率(光伏板出現(xiàn)故障不發(fā)電時，則成為消耗電能負載)，也為為避免安裝階段錯接或其他原因引起局部異常接線形成的過流危害，在每一光伏串的兩端安裝了保險絲后，由于光伏陣列短路電流大于單個光伏串的電流，因而可致光伏串串聯(lián)的保險絲熔斷以隔離故障光伏串。在陣列設(shè)置熔斷器,對于下級逆變器元件反饋的電流(如電容或者電容器反饋到光伏陣列和陣列布線的放電),在熔斷器的額定分斷能力范圍內(nèi)也能對光伏陣列提供保護。

關(guān)于在光伏系統(tǒng)直流側(cè)的保護，在美國國家標準NASI/NFPA 70 《National Electrical Code 》之Article 690-Solar Photovoltaic Systems中的690.99條款(Overcurrent Protection)中已明確：光伏子系統(tǒng)電路、光伏輸出電路、逆變器輸出電路和儲能電池電路的導體和設(shè)備應當按條款240要求予保護(注：條款240關(guān)于導線和設(shè)備的保護條文)；我國等同采用IEC60364-7-712:2002《Electrical installations of buildings-Part 7-712:Requirments for special installations or locations-Solar photovoltaic (PV) power supply systems》的GB/T 16895.32-2008《建筑物電氣裝置 第7-712部分：特殊裝置或場所的要求，太陽能光伏(PV)電源供電系統(tǒng)》(2010-02-01正式實施)，其中雖在直流側(cè)的過負荷保護中提出當電纜的連續(xù)載流量等于或大于任何位置1.25倍的Isc stc時(Isc stc為標準測試條件下的短路電流)，PV串和PV陣列電纜的到過負載保護可以忽略(該為標準的712.433.1和.2)，但是標準同時注明：上述要求僅是關(guān)于電纜保護的規(guī)定，同時也要考慮制造廠關(guān)于PV模塊保護的說明書;其在關(guān)于光伏陣列連接箱( PV array junction box)的定義中也闡明如需要也可用熔斷器保護。GB/T 16895.32-2008未硬性規(guī)定要設(shè)置保護電器的原因，一方面是標準只規(guī)定最低限度的要求，保證施行;但另一主因是相關(guān)標準還在制定中。專門針對太陽能光伏系統(tǒng)保護用的熔斷體標準IEC 60269-6：2010，今年10月IEC委員國已投票通過，2011年1-2月份將有可能出版，國家標準也將跟進制定；UL在2005年或更早就已設(shè)立了保護光伏電池組件串和光伏陣列的熔斷體的技術(shù)規(guī)范 ：Subject 2529 OUTLINE OF INVESTIGATION FOR LOW-VOLTAGE FUSES-FUSES FOR PHOTOVOLTAIC SYSTEMS，現(xiàn)其最新版是2010版。這些相關(guān)標準的頒布，預示著，包括中國在內(nèi)IEC各成員國后續(xù)相關(guān)的標準和安規(guī)認證要求，可能將會如NASI/NFPA 70那樣考慮直流側(cè)的過流保護問題，事實上，業(yè)界現(xiàn)有大部分光伏發(fā)電系統(tǒng)的光伏串和光伏陣列都已設(shè)計安裝了保險絲。如下圖，好利來科技HOLLY光伏保險絲HC10aR 1000V DC和HC10N 600V DC 被廣泛應用于PV光伏連接柜中熔斷器A位置、光伏保護的NH00 1000V 100A和NH1 1000V DC 200A也被應用于PV光伏連接柜中熔斷器B位置。

北美標準NASI/NFPA 70已明確規(guī)定，直流側(cè)的保護電器均要求直流規(guī)格的，對于保護光伏電池串的熔斷器、即圖中的熔斷器A，要求額定電流In≥1.56Isc (Isc為PV串的短路電流)，額定電壓不小于光伏電池串當?shù)刈畹蜏囟葧r的開路電壓Voc，并提供了修正系數(shù)供計算實際使用溫度下Voc;而保護PV陣列的熔斷器B、其要求1.25限制電流I ≤In1.56Isc ,該位置導線規(guī)格要不小于1.56Isc，所以取電流1.56Isc計算值以下的系列化規(guī)格中最大的額定電流是合適的。

IEC體系的光伏保險絲約定熔斷電流為1.45 In、美國Subject 2529技術(shù)規(guī)范對應的光伏保險絲約定熔斷電流為1.35 In，即IEC體系的光伏保險絲的實際承載能力約為美國Subject 2529保險絲的1.1-1.2倍，因而考慮到實際承載能力的不同，對于圖中的熔斷器A位置的IEC體系的光伏保險絲應參考上述公式In≥1.56Isc修正為In≥1.42Is。所以按修正后的公式算出熔斷器規(guī)格值In，并取大于計算值且和計算值最接近的電流等級的熔斷體，另外導線的規(guī)格不要不低于Is，最好大于1.25 Is;同理，對于圖中的熔斷器B位置的IEC體系的光伏保險絲應參考上述公式In1.56Isc修正為In1.42Is，取電流1.42Isc計算值以下的系列化規(guī)格中最大的額定電流規(guī)格。在熔斷器周圍溫度較高時，如高出45或在匯流箱中靠近地安裝多個保險絲時，應降容使用，降容量按熔斷器廠家建議。

綜上述，在光伏陣列設(shè)置直流光伏保險絲是很重要的，選擇的光伏保險絲的額定電壓要考慮光伏板可能使用的最低氣溫時的開路電壓Voc，額定電流要考慮光伏板使用地最高溫度時的短路電流Is，以及循環(huán)負載對長期工作壽命的影響，保證能長期工作的前提下取低額定值，以實現(xiàn)保護作用。