淺談“非主流”光伏技術(shù)（十）：1500V系統(tǒng)中被忽視的產(chǎn)品

隨著光伏DC1500V系統(tǒng)的腳步臨近，選型問題大家也提上了議事日程。2015年8月在三峽新能源30MW光伏電站項(xiàng)目中得率先使用了1500V系統(tǒng)，并采用了包括斷路器在內(nèi)的所有國產(chǎn)產(chǎn)品。本文就1500V系統(tǒng)中容易被忽視的產(chǎn)品展開探討。

ü 1500V光伏組件

ü 1500V光伏接線纜

ü 1500V光伏連接器

ü 1500V光伏系統(tǒng)保護(hù)用熔斷器

ü 1500V光伏系統(tǒng)直流側(cè)用電涌保護(hù)器（SPD）

ü 1500V光伏系統(tǒng)用低壓直流斷路器

ü 1500V光伏匯流設(shè)備

ü 1500V 光伏逆變器

以上8種設(shè)備是組成1500V光伏系統(tǒng)的要素，缺一不可。本節(jié)只聊聊斷路器和逆變器的核心部件，其他不做“畫蛇添足”。

1．?dāng)嗦菲?/p>

1．1 斷路器的詳細(xì)解釋

斷路器（英文名稱circuit－breaker，circuit breaker）是指能夠關(guān)合、承載和開斷正?；芈窏l件下的電流并能關(guān)合、在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)承載和開斷異?；芈窏l件下的電流的開關(guān)裝置。斷路器按其使用范圍分為高壓斷路器與低壓斷路器，高低壓界線劃分比較模糊，一般將3kV以上的稱為高壓電器。

斷路器可用來分配電能，不頻繁地啟動(dòng)異步電動(dòng)機(jī)，對電源線路及電動(dòng)機(jī)等實(shí)行保護(hù)，當(dāng)它們發(fā)生嚴(yán)重的過載或者短路及欠壓等故障時(shí)能自動(dòng)切斷電路，其功能相當(dāng)于熔斷器式開關(guān)與過欠熱繼電器等的組合。而且在分?jǐn)喙收想娏骱笠话悴恍枰兏悴考?。目前，已獲得了廣泛的應(yīng)用。

斷路器的特性主要有額定電壓Ue；額定電流In；過載保護(hù)（Ir或Irth）和短路保護(hù)（Im）的脫扣電流整定范圍；額定短路分?jǐn)嚯娏鳎üI(yè)用斷路器Icu；家用斷路器Icn）等。

額定工作電壓（Ue）這是斷路器在正常（不間斷的）的情況下工作的電壓。額定電流（In）這是配有專門的過電流脫扣繼電器的斷路器在制造廠家規(guī)定的環(huán)境溫度下所能無限承受的最大電流值，不會(huì)超過電流承受部件規(guī)定的溫度限值。短路繼電器脫扣電流整定值（Im）短路脫扣繼電器（瞬時(shí)或短延時(shí)）用于高故障電流值出現(xiàn)時(shí)，使斷路器快速跳閘，其跳閘極限Im。額定短路分?jǐn)嗄芰Γ↖cu或Icn）斷路器的額定短路分?jǐn)嚯娏魇菙嗦菲髂軌蚍謹(jǐn)喽槐粨p害的最高（預(yù)期的）電流值。標(biāo)準(zhǔn)中提供的電流值為故障電流交流分量的均方根值，計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)值時(shí)直流暫態(tài)分量（總在最壞的情況短路下出現(xiàn)）假定為零。工業(yè)用斷路器額定值（Icu）和家用斷路器額定值（Icn）通常以kA均方根值的形式給出。

短路分?jǐn)嗄芰Γ↖cs）斷路器的額定分?jǐn)嗄芰Ψ譃轭~定極限短路分?jǐn)嗄芰皖~定運(yùn)行短路分?jǐn)嗄芰煞N。國標(biāo)《低壓開關(guān)設(shè)備和控制設(shè)備低壓斷路器》（GB14048．2—94）對斷路器額定極限短路分?jǐn)嗄芰皖~定運(yùn)行短路分?jǐn)嗄芰ψ髁巳缦碌慕忉?/p>

斷路器的額定運(yùn)行短路分?jǐn)嗄芰Π匆?guī)定的實(shí)驗(yàn)程序所規(guī)定的條件，包括斷路器繼續(xù)承載其額定電流能力的分?jǐn)嗄芰Γ?/p>

具體試驗(yàn)是把線路的電流調(diào)整到預(yù)期的短路電流值（例如380V ，50kA），而試驗(yàn)按鈕未合，被試斷路器處于合閘位置，按下試驗(yàn)按鈕，斷路器通過50kA短路電流，斷路器立即開斷（open簡稱O），斷路器應(yīng)完好，且能再合閘。t為間歇時(shí)間，一般為3min，此時(shí)線路仍處于熱備狀態(tài)，斷路器再進(jìn)行一次接通（close簡稱C）和緊接著的開斷（O），（接通試驗(yàn)是考核斷路器在峰值電流下的電動(dòng)和熱穩(wěn)定性）。此程序即為CO。斷路器能完全分?jǐn)?，則其極限短路分?jǐn)嗄芰细瘛?/p>

因此，可以看出，額定極限短路分?jǐn)嗄芰cn指的是低壓斷路器在分?jǐn)嗔藬嗦菲鞒鼍€端最大三相短路電流后還可再正常運(yùn)行并再分?jǐn)噙@一短路電流一次，至于以后是否能正常接通及分?jǐn)啵瑪嗦菲鞑挥枰员ＷC；而額定運(yùn)行短路分?jǐn)嗄芰cs指的是斷路器在其出線端最大三相短路電流發(fā)生時(shí)可多次正常分?jǐn)唷?/p>

1．2 1500V斷路器應(yīng)用分析

在光伏系統(tǒng)中斷路器選型主要依據(jù)是組件的參數(shù)、組串塊數(shù)、海拔、輻照度峰值、極端低溫及余量等幾個(gè)主要方面，組件參數(shù)與組串塊數(shù)是主要的計(jì)算依據(jù)，海拔、輻照度峰值、極端低溫應(yīng)當(dāng)與設(shè)計(jì)余量測算一起考量。額定工作電壓主要與組件參數(shù)、組串塊數(shù)有直接聯(lián)系，海拔與低溫在考慮設(shè)計(jì)余量中考慮。額定工作電流與輻照度峰值、經(jīng)驗(yàn)余量一同考慮。我們的選型思路以額定工作電壓與額定工作電流為主線展開。

首先我們先談系統(tǒng)電壓，其次談電流。我們選擇已經(jīng)通過UL1500V認(rèn)證的國內(nèi)某知名組件廠的組件作為計(jì)算參照樣本，組件功率260W到275W，組件效率16．8％。需要重點(diǎn)說明的是組件廠的樣本參數(shù)是大氣 AM1．5， 輻照度1000 W／m2， 溫度25°C環(huán)境下參數(shù)，現(xiàn)場峰值數(shù)據(jù)與以上條件差異較大，這是余量設(shè)計(jì)計(jì)算的重點(diǎn)考慮方面。組件參數(shù)選擇方面重點(diǎn)參照組件三個(gè)主要參數(shù)，1．最大工作電壓；2．最大工作電流；3．最大開路電壓。

系統(tǒng)電壓最主要的影響是組件的排布和單串組件塊數(shù)，DC1500V系統(tǒng)的核心價(jià)值應(yīng)當(dāng)是提高系統(tǒng)效率，有效降低直流輸電、逆變成本。目前我們主流的單串組件排布采用22比較多，這個(gè)方案是目前最優(yōu)成本方案。DC1500V系統(tǒng)并沒有改變發(fā)電側(cè)與交流側(cè)的系統(tǒng)，所以DC1500V方案應(yīng)保留目前的組件排布主流方案采取增加單串塊數(shù)來實(shí)現(xiàn)更高的系統(tǒng)電壓?；谝陨显蛭覀兺扑]DC1500V系統(tǒng)組串排布及塊數(shù)最佳方案是33，這樣在不改變組件陣列的方案的基礎(chǔ)上可以在電纜、匯流箱、逆變器這三方面取得較大的成本下降。如果我們確定了單串的組件塊數(shù)，那么后面的系統(tǒng)電壓就非常容易計(jì)算了。

光伏DC1500V系統(tǒng)不同功率組件系統(tǒng)在單串33塊組件時(shí)基準(zhǔn)電壓

上表得出的數(shù)據(jù)是否就是實(shí)際峰值？這個(gè)肯定不是，對于系統(tǒng)電壓還有兩個(gè)主要影響因素。海拔及溫度，首先從海拔談斷路器的滅弧性能，電壓問題對斷路器的最大挑戰(zhàn)是滅弧，電壓越高難度越大。斷路器參數(shù)實(shí)驗(yàn)環(huán)境是以2000米海拔的大氣AM基準(zhǔn)，在2000米以上空氣相對稀薄，斷路器的滅弧能力隨海拔升高線性下降，我們?yōu)榱擞?jì)算方便折算成額定工作電壓降容系數(shù)的方式。根據(jù)筆者多年收集的資料分析，國內(nèi)大型地面電站海拔在1500米到3000米占絕大多數(shù)，故推薦海拔降容設(shè)計(jì)余量方面考慮10％，這樣可以覆蓋絕大多數(shù)項(xiàng)目海拔。

此外環(huán)境溫度對組件的輸出電壓有很大影響，從25°到－10°之間組件輸出電壓是一個(gè)較陡的上升曲線，在超過－10°以后電壓上升變化較小。組件的電壓溫度系數(shù)－0．35％／k（不同廠家略有差異），在溫度系數(shù)余量方面我們推薦考慮30＊0．35％＝10．5％，綜合海拔與溫度的兩個(gè)余量考量因素，推薦系統(tǒng)的電壓設(shè)計(jì)余量為20％，以下為推薦的余量修正后的系統(tǒng)電壓情況

上圖發(fā)現(xiàn)通過采用峰值數(shù)據(jù)計(jì)算系統(tǒng)工作電壓最大值在1250V以下，采用DC1500V額定工作電壓的光伏斷路器可以滿足系統(tǒng)要求。但是值得注意的是系統(tǒng)修正最大開路電壓超過斷路器的最高額定有效工作電壓1．5％，雖然這只是修正得出的結(jié)果并不代表實(shí)際峰值，但海拔超過3000米后開路電壓會(huì)超過斷路器的最高有效工作電壓，系統(tǒng)開路電壓不應(yīng)超過斷路器的最高有效工作電壓是我們選型的基本守則。

其次再看一下電流的選擇，電流的選擇在DC1000V系統(tǒng)按照每串12A計(jì)算后取斷路器優(yōu)選值的速算辦法是主流，這個(gè)方案也是大部分逆變器企業(yè)給定的整定值。在DC1500V系統(tǒng)計(jì)算方式?jīng)]有錯(cuò)，但是不能再采用這個(gè)結(jié)果了。組件的效率提升是近年組件價(jià)格下降的主要原因，也就是在相同的單位面積中輸出更高功率，組件面積沒有增大但功率增加了，這必然會(huì)使組件電壓和電流輸出都提高，在260W以上光伏系統(tǒng)中都要逐步考慮增加斷路器的額定工作電流，電流的提升與DC1500V還是DC1000V系統(tǒng)沒有關(guān)系，這是組件輸出參數(shù)提升帶來的問題。

這種對光伏斷路器的電流選型計(jì)算推薦用組件標(biāo)稱最大工作電流＊150％的簡單速算法，是上海圣昂電氣團(tuán)隊(duì)人員通過從2010年開始跟蹤調(diào)查結(jié)果。傳統(tǒng)的130％的經(jīng)驗(yàn)余量設(shè)計(jì)是臨界值，非常容易出現(xiàn)誤跳事故。

關(guān)于斷路器推薦余量50％的原因有三點(diǎn)，1．輻照度影響組件電流參數(shù)是輻照度1000的基準(zhǔn)，輻照條件好的地區(qū)峰值輻照度在1200左右，這樣至少消耗掉了20％設(shè)計(jì)余量，西北地區(qū)第二季度最易超發(fā)。2．設(shè)備安裝環(huán)境都比較惡劣、散熱差，設(shè)備內(nèi)部溫度都很高，這對斷路器有降容的影響，現(xiàn)場實(shí)測發(fā)現(xiàn)過最高溫度超過70°。3．不同廠家斷路器溫升控制差距很大，光伏斷路器在串聯(lián)后的溫升不超過60K，一般要在70K以上，超過80K不合格產(chǎn)品也大行其道，超過80K溫升的主要誘因是串聯(lián)部分沒有使用焊接方式，銅排螺釘安裝發(fā)熱過高。在2012年西北地區(qū)出現(xiàn)過某韓國品牌斷路器產(chǎn)品串聯(lián)溫升不能滿足使用大面積誤跳閘事故。所以推薦1．5倍數(shù)的安全余量。

小結(jié)光伏DC1500V系統(tǒng)我們推薦單串組件33塊的方案，匯流箱出線及逆變器進(jìn)線斷路器工作電壓選擇DC1500V，電流最小選擇225A，如采用了串聯(lián)是使用螺釘安裝銅排等非焊接連接的方式，電流建議再選大一檔到250A。光伏斷路器的選型推薦以峰值參數(shù)作為計(jì)算依據(jù)。

作者張喆 侯海磊