直流熔斷器在光伏系統(tǒng)直流側(cè)配置的分析

　　1、前言　　 

　　2014年我國光伏電站新增裝機容量10.6GW，位列世界第一。2015年國家能源局規(guī)劃新建光伏電站容量17.8GW，預(yù)計年內(nèi)我國光伏電站累計裝機容量將位列世界第一。 　　

　　我國在光伏電站快速發(fā)展中，針對直流熔斷器在光伏系統(tǒng)直流側(cè)配置與否各設(shè)計方案、設(shè)備方案中還存在差異。本文將從直流熔斷器保護原理的基礎(chǔ)上，對此差異進行分析。   

　　2、直流熔斷器保護原理　　 

　　光伏電站直流側(cè)根據(jù)光伏逆變器方案配置的不同，分別將多個組串并聯(lián)匯集至直流匯流箱（集中式逆變器方案）或組串式逆變器（組串式逆變器方案）的直流母線。 　　 

　　當(dāng)若干光伏組串并聯(lián)，如某組串發(fā)生短路故障，直流母線上的其它組串的和電網(wǎng)將向短路點提供短路電流。如缺少相應(yīng)的保護措施，將導(dǎo)致光伏組件、與之聯(lián)接的電纜等設(shè)備燒毀。同時，可能引起設(shè)備附近的附著物的燃燒。目前國內(nèi)發(fā)生多起類似的屋頂光伏火災(zāi)事故，因此需在各組串的并聯(lián)回路安裝保護器件以增強光伏電站安全。同時，標(biāo)準(zhǔn)IEC62548[1]針對光伏電站直流側(cè)的過電流保護也進行了明確要求。 

　　基于此，光伏電站設(shè)計方案中多在各并聯(lián)組串回路中串入直流熔斷器。   

　　2.1熔斷器的應(yīng)用情況   

　　串聯(lián)在電路中的熔斷器利用金屬的熱熔特性在設(shè)備出現(xiàn)過電流時切斷電路，以保障電路安全運行。其作為過電流保護裝置的一種，廣泛應(yīng)用于電力系統(tǒng)、電力電子、電信通信、軌道交通、光伏發(fā)電系統(tǒng)等新能源、工業(yè)自動化、宇航及軍用等相關(guān)行業(yè)。   

　　目前光伏行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)解決方案是采用熔斷器用于過電流保護。熔斷器已成為光伏電站普遍應(yīng)用的保護器件，廣泛的應(yīng)用于匯流箱、逆變器中，國際主流逆變器廠家也都將熔斷器作為直流保護的基本元件。同時，熔斷器廠家如Bussman、Littelfuse等也推出了光伏專用直流熔斷器。 　　

　　2.2光伏電站中對熔斷器保護的技術(shù)要求 

　　根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)IEC61730-2[2]要求：光伏組件需具備承受反向電流過載能力。其對承受反向過電流試驗的規(guī)定如下：若采用最大保險絲額定電流15A的光伏組件，需在20.25A（1.35倍）下進行2小時測試，要求組件不能燃燒、與組件接觸的細紗棉布和白薄紙均應(yīng)無燃燒或焦斑，以及MST 17試驗（濕漏電流試驗）應(yīng)滿足與最初測試的相同。 

　　因此，光伏組件按照IEC61730-2認(rèn)證的組件應(yīng)具備在承受1.35倍的反向電流2h的能力。 

　　針對上述要求，從增強光伏組件的安全性、延長其壽命，應(yīng)對光伏逆變器（或直流匯流箱）側(cè)的直流母線采取保護措施。因此，IEC60269-6[3]標(biāo)準(zhǔn)對光伏用熔斷器（15A）的技術(shù)要求為：“需在電流為21.75A（1.45倍）情況下1小時內(nèi)熔斷”。而在UL2579[4]標(biāo)準(zhǔn)中則要求“需在電流為20.25A（1.35倍）情況下1小時內(nèi)熔斷”。 

　　綜合組件反向電流過載能力（IEC61730-2）來看，UL標(biāo)準(zhǔn)的要求更合理，而IEC 60269-6標(biāo)準(zhǔn)也將對其要求矛盾之處做出修訂：對于額定電流為32A以下(含32A)的熔斷器要求通過1.35 倍額定電流時應(yīng)在1h 內(nèi)熔斷。而對技術(shù)反應(yīng)迅速的主流熔斷器廠家如Bussmann、Littelfuse在設(shè)計光伏專用熔斷器時，亦對上矛盾之處更新了產(chǎn)品參數(shù)要求。 

　　因此當(dāng)熔斷器的熔斷電流不大于光伏組件可耐受反向電流限值且熔斷時間不大于光伏組件可耐受反向電流時間時，熔斷器可實現(xiàn)對光伏組件的保護。   

　　2.3光伏系統(tǒng)中熔斷器應(yīng)用現(xiàn)狀 

　　為了避免直流側(cè)短路造成的設(shè)備損失。目前，主流的技術(shù)方案均在直流側(cè)增加熔斷器。同時，國際主流的逆變器設(shè)備商亦要求直流側(cè)增加熔斷器。例如：SMA公司推出的ST12000/15000/20000/24000TL-US系列逆變器；Sungrow公司推出的SG60KTL/SG40KTL系列逆變器；Kaco公司推出的Powador 60.0TL3逆變器等均采用直流熔斷器保護的設(shè)計方案。而對于目前存在的每路MPPT中的兩路組串并聯(lián)的設(shè)備方案，按照上述技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的要求，仍需配置熔斷器等過流保護器件對設(shè)備進行保護。不采用熔斷器等過流保護器件或僅采用二極管用于反向電流保護均存在安全隱患，可能導(dǎo)致設(shè)備燒毀，甚至引發(fā)火災(zāi)。 

　　顯而易見，光伏逆變器直流側(cè)（或直流匯流箱）母線配置熔斷器為光伏電站直流側(cè)設(shè)計的主流方案。  

　　2.4熔斷器保護可能存在的問題 

　　與各類電力工程的中的斷路器等保護裝置類似，因熔斷器的配置，不可避免的增加了“斷點”，但目前的的技術(shù)手段可避免因設(shè)備損壞引起的電量損失。 

　　1）針對組串式逆變器，因其自身具備組串檢測能力，可完成每路組串電流電壓采集；可實現(xiàn)熔斷器的快速檢測；及時更換設(shè)備，降低組串開路的時間。 

　　2）針對集中式逆變器組成的光伏電站，目前智能匯流箱同樣具備組串檢測能力。也可避免上述問題。 

　　結(jié)論 　　

　　綜上所述，無論從熔斷器的保護原理；光伏電站的規(guī)范要求、應(yīng)用現(xiàn)狀來看。光伏電站的直流配置側(cè)配置熔斷器有其合理性及必要性。 　　 

　　1）光伏組件作為光伏電站的主要設(shè)備投資，應(yīng)保護其設(shè)備的安全性。同時，根據(jù)國際通用標(biāo)準(zhǔn)的要求，應(yīng)配置熔斷器實現(xiàn)對其保護。 

　　2）通過對技術(shù)規(guī)范合理性的對比分析，選用的直流熔斷器應(yīng)滿足1.35倍額定電流下1小時內(nèi)熔斷的技術(shù)要求。 

　　3）熔斷器為目前廣泛應(yīng)用于光伏電站直流側(cè)保護方案，為主流設(shè)計方案。國際主流的逆變器廠家均按照前文IEC的標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)規(guī)定，在直流側(cè)配置熔斷器作為保護器件。 

　　4）目前光伏電站中無論是集中式方案還是組串式方案，均可實現(xiàn)對熔斷器故障的快速檢測，并及時更換。反之，對無熔斷器等過流保護元件的系統(tǒng)，一次短路所引起的事故造成的損失將可能是災(zāi)難性的，尤其是在建筑光伏和少人值守的大型并網(wǎng)光伏電站中。