直流熔斷器在光伏發電系統中的應用

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電系統中的應用

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電系統中的應用情況。

直流熔斷器 光伏發電系統

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， 在光伏發電系統中需要數量巨大的太陽能電池板陣列進行串并聯組合來達到所需功率。光伏發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中光伏發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。并網光伏發電系統可以和電力系統進行直接連接的一種光伏發電系統，它可以為電力系統供給有功及無功的電能。此電能和電網的頻率相同，再以電壓源方式將電能送進電力系統，而建設大型并網光伏電站是大規模集中利用太陽能的有效方式。本文主要針對大型并網光伏電站中直流熔斷器的應用問題進行闡述。

在光伏系統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設備，其價格優勢明顯；而且在直流系統中電感低，發生故障時電流變化率di/dt 很高，特別適合用于直流系統。因此一直以來光伏發電系統保護中，主要應用熔斷器作為過電流保護。基于對未來中國光伏在電力供應系統的占有率，直流熔斷器在光伏發電中的應用有巨大的市場潛力，特別是集中式光伏并網體系，匯流箱數量眾多，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。而關于直流系統熔斷器在電網中應用，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。

光伏產業從600V發展到1000伏，再到現在興起的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，市場上也已經出現了相應的產品。近些年，一些科研機構通過對一些光伏發電企業的調研卻發現了發電站運行中存在很多問題，其中與熔斷器應用相關的問題有： 荒漠電站的集中式結構光伏并網體系，匯流箱的數量多，使用的熔斷器數目龐大，但是熔斷器的燒毀也較為嚴重，根據調查，1個10MW的光伏發電場一年更換的熔斷器多達800多個，對發電量的影響較大，增大了運營維護的成本；中國能源建設集團新疆電力設計院有限公司關于光伏中應用熔斷器失效率進行擬合曲線，統計結果顯示，隨著時間的遞增，到第五年熔斷器的綜合失效率接近50%，顯然國內光伏并網環節在直流熔斷器的的應用需要注意的問題方面經驗不足。

熔斷器在光伏電站中的應用廣泛與其在應用中居高的失效率形成巨大的落差，這與熔斷器行業特點密不可分。目前國內相關企業的直流熔斷器都能夠通過IEC60269-6或者UL2579中的相關測試，但是真正解決實際使用中存在的問題，卻并非易事。關鍵指標如額定電流，額定電壓，溫升，功耗，熔斷性能，I^2T等隨著產品體系應用的變化，均會發生一些變化，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監控。因此低倍過載存在的著火風險，熔斷時出現噴弧，是一些低成本直流熔斷器的常見問題。有些光伏電站環境比較惡劣，風沙，濕度，長日照，這些客觀條反而對相關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而老化，通流能力下降，必然為熔斷器在光伏電站中的應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。因此熔斷器生產企業必須不斷關注熔斷器的性能與品質，提高產品應對惡劣環境中使用的性能，對產品在實際應用中可能遇到的問題進行全面的安全與環境測試，才能在光伏熔斷器領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光伏電站的數字化，智能化，運用實時監控與建立數據庫是光伏電站未來發展的重要方向。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，內部加裝智能監測單元模塊，監測每一路光伏組件串聯回路的工作電流、電壓等工作狀態，并通過通訊模塊與上位機通訊，實現整個光伏電站的遠程監控。智能化的過程通過對器件使用情況的監督，數字化，已經可以實現對防雷、 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，鑒于匯流箱內產生弧光后， 弧光會以300m/s 的速度迸發，摧毀途中的物質， 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弧光故障診斷。監控模塊的日益成熟與應用數據的積累，相信此項會成為不同廠家熔斷器表現的“試金石”。除此之外，豐富的數據可以預測相關產品壽命與失效情況，為光伏電站直流熔斷器及其他器件更好的進行選型與應用控制提供更科學合理的依據。