高 琳

東莞市貝特電子科技股份有限公司

直流熔斷器在光伏發(fā)電系統(tǒng)中的應(yīng)用

高 琳

東莞市貝特電子科技股份有限公司

本文闡述了目前直流熔斷器在光伏發(fā)電系統(tǒng)中的應(yīng)用情況。

直流熔斷器 光伏發(fā)電系統(tǒng)

太陽能是一種儲量巨大的清潔可再生能源，每天到達地球表面的輻射能量相當于數(shù)億萬桶石油燃燒的能量，但是太陽能也是一種低密度的平面能源， 在光伏發(fā)電系統(tǒng)中需要數(shù)量巨大的太陽能電池板陣列進行串并聯(lián)組合來達到所需功率。光伏發(fā)電站目前成本還偏高，效率函待提升，但是其作為可再生能源的作用與應(yīng)用前景正日益得到社會的普遍認同。在中國未來的電力供應(yīng)中光伏發(fā)電將扮演重要的角色，預計到 2020 年累計裝機將達到 30 GWp； 2050 年將達到 100 GWp。

光伏電站直流電壓一般設(shè)計為直流800～1 500 V，故光伏匯流箱中所安裝的大量電器元件主要為直流電器元件，是屬于直流低壓電器元件范疇。并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)可以和電力系統(tǒng)進行直接連接的一種光伏發(fā)電系統(tǒng)，它可以為電力系統(tǒng)供給有功及無功的電能。此電能和電網(wǎng)的頻率相同，再以電壓源方式將電能送進電力系統(tǒng)，而建設(shè)大型并網(wǎng)光伏電站是大規(guī)模集中利用太陽能的有效方式。本文主要針對大型并網(wǎng)光伏電站中直流熔斷器的應(yīng)用問題進行闡述。

在光伏系統(tǒng)的的短路保護中一般采用熔斷器或斷路器。熔斷器，俗稱保險絲，相當于過電流繼電保護裝置與開斷裝置合為一體的開關(guān)設(shè)備，其價格優(yōu)勢明顯；而且在直流系統(tǒng)中電感低，發(fā)生故障時電流變化率di/dt 很高，特別適合用于直流系統(tǒng)。因此一直以來光伏發(fā)電系統(tǒng)保護中，主要應(yīng)用熔斷器作為過電流保護?；趯ξ磥碇袊夥陔娏?yīng)系統(tǒng)的占有率，直流熔斷器在光伏發(fā)電中的應(yīng)用有巨大的市場潛力，特別是集中式光伏并網(wǎng)體系，匯流箱數(shù)量眾多，每個光伏組串均需要配置直流熔斷器保護回路來切除故障。而關(guān)于直流系統(tǒng)熔斷器在電網(wǎng)中應(yīng)用，需要注意以下幾點：熔斷器的特性必須要求具有精確的時間- 電流特性；有良好的抗老化能力；達到熔斷值時能夠快速熔斷；具有良好的切斷故障電流能力，有效切斷故障電流。直流不存在電壓的過零點，在斷開負載時往往有電弧產(chǎn)生，直流電弧燃弧時間長，電弧能量大，熔斷器在熔斷時刻會出現(xiàn)尖峰高電壓，如果熔斷器性能不佳，會直接影響同一直流母線上的其他負載。

光伏產(chǎn)業(yè)從600V發(fā)展到1000伏，再到現(xiàn)在興起的1500V，光伏的直流熔斷器性能也在不斷提升，對于目前1500v的新要求，市場上也已經(jīng)出現(xiàn)了相應(yīng)的產(chǎn)品。近些年，一些科研機構(gòu)通過對一些光伏發(fā)電企業(yè)的調(diào)研卻發(fā)現(xiàn)了發(fā)電站運行中存在很多問題，其中與熔斷器應(yīng)用相關(guān)的問題有： 荒漠電站的集中式結(jié)構(gòu)光伏并網(wǎng)體系，匯流箱的數(shù)量多，使用的熔斷器數(shù)目龐大，但是熔斷器的燒毀也較為嚴重，根據(jù)調(diào)查，1個10MW的光伏發(fā)電場一年更換的熔斷器多達800多個，對發(fā)電量的影響較大，增大了運營維護的成本；中國能源建設(shè)集團新疆電力設(shè)計院有限公司關(guān)于光伏中應(yīng)用熔斷器失效率進行擬合曲線，統(tǒng)計結(jié)果顯示，隨著時間的遞增，到第五年熔斷器的綜合失效率接近50%，顯然國內(nèi)光伏并網(wǎng)環(huán)節(jié)在直流熔斷器的的應(yīng)用需要注意的問題方面經(jīng)驗不足。

熔斷器在光伏電站中的應(yīng)用廣泛與其在應(yīng)用中居高的失效率形成巨大的落差，這與熔斷器行業(yè)特點密不可分。目前國內(nèi)相關(guān)企業(yè)的直流熔斷器都能夠通過IEC60269-6或者UL2579中的相關(guān)測試，但是真正解決實際使用中存在的問題，卻并非易事。關(guān)鍵指標如額定電流，額定電壓，溫升，功耗，熔斷性能，I^2T等隨著產(chǎn)品體系應(yīng)用的變化，均會發(fā)生一些變化，標準中熔斷與不熔斷電流中間的值會造成長時間低倍過載，大電流以及低倍電流下的分斷能力這些熔斷器關(guān)鍵的性能安全指標，由于測試成本的壓力，很多廠家都難以進行常規(guī)監(jiān)控。因此低倍過載存在的著火風險，熔斷時出現(xiàn)噴弧，是一些低成本直流熔斷器的常見問題。有些光伏電站環(huán)境比較惡劣，風沙，濕度，長日照，這些客觀條反而對相關(guān)器件提出了更高的可靠性要求。例如光伏電站晝夜溫差大，導致加速熔斷器熔絲的熱疲勞效應(yīng)而老化，通流能力下降，必然為熔斷器在光伏電站中的應(yīng)用帶來了巨大的安全隱患，而這也正是光伏電站高昂的運維費用的原因。因此熔斷器生產(chǎn)企業(yè)必須不斷關(guān)注熔斷器的性能與品質(zhì)，提高產(chǎn)品應(yīng)對惡劣環(huán)境中使用的性能，對產(chǎn)品在實際應(yīng)用中可能遇到的問題進行全面的安全與環(huán)境測試，才能在光伏熔斷器領(lǐng)域中保持重要的地位。

鑒于光伏電站本身的昂貴組件，光伏電站也在考慮使用智能匯流箱來實現(xiàn)光伏電站的數(shù)字化，智能化，運用實時監(jiān)控與建立數(shù)據(jù)庫是光伏電站未來發(fā)展的重要方向。智能匯流箱一次線路還是由匯流銅排、直流斷路器以及多個直流熔斷器組成，內(nèi)部加裝智能監(jiān)測單元模塊，監(jiān)測每一路光伏組件串聯(lián)回路的工作電流、電壓等工作狀態(tài)，并通過通訊模塊與上位機通訊，實現(xiàn)整個光伏電站的遠程監(jiān)控。智能化的過程通過對器件使用情況的監(jiān)督，數(shù)字化，已經(jīng)可以實現(xiàn)對防雷、 母線、 光伏組串進行簡單的故障診斷， 并具備與主站通訊的功能， 但是采樣的質(zhì)量、運行的可靠性、 功能的豐富性目前還不能完全滿足。針對直流熔斷器，鑒于匯流箱內(nèi)產(chǎn)生弧光后， 弧光會以300m/s 的速度迸發(fā)，摧毀途中的物質(zhì)， 只要匯流箱不斷電， 弧光就會一直存在， 因此一些研究認為很有必要加設(shè)弧光故障診斷。監(jiān)控模塊的日益成熟與應(yīng)用數(shù)據(jù)的積累，相信此項會成為不同廠家熔斷器表現(xiàn)的“試金石”。除此之外，豐富的數(shù)據(jù)可以預測相關(guān)產(chǎn)品壽命與失效情況，為光伏電站直流熔斷器及其他器件更好的進行選型與應(yīng)用控制提供更科學合理的依據(jù)。