光伏系統直流匯流箱設計選型研究

吉帥

西安特變電工電力設計有限責任公司 陜西 西安 710110

引言

在光伏領域，目前組件電池片尺寸集中在182、210mm，其中182mm尺寸可暫定為540Wp+，210mm尺寸可暫定為640Wp+，而組件亦有單面、雙面之分。在直流匯流箱選型時，涉及本體和外部設計兩類。

1 匯流箱本體設計

直流匯流箱本體設計主要為輸入回路數、直流熔斷器、直流斷路器、輸入端子及殼體材質。

1.1 輸入回路數

匯流箱輸入回路數一般以16、18、20、22、24為主，其中16、24匯1較為常見。輸入回路數與光伏整體系統設計息息相關。

1.2 直流熔斷器

直流熔斷器選型參見CGC/GF 037：2014 《光伏匯流設備技術規范》，規定在標準工況下，直流熔斷器選型應按照1.5支路最大允許電流值來考慮[1]。組件采用雙面時，背面增益一般根據組件離地高度、地表附著物來確定反射率和背面增益百分比，背面增益歸集于組串電流暫定15%，即1.15倍。

光伏用1500V系統熔斷器標稱電流擋位一般為20A、25A、32A、35A、40A等。

1.2.1 以單面540Wp組件為例，Isc短路電流為13.86A，Imp最大功率點工作電流為12.97A。直流熔斷器I1≥1.5×13.86=20.79A，直流熔斷器可選擇25A。

1.2.2 以雙面540Wp組件為例，組件正面Isc短路電流為13.86A，Imp最大功率點工作電流為12.97A。直流熔斷器I2≥1.5×13.86×1.15=23.91A，直流熔斷器可選擇25A。考慮有些地區光資源較好，地面反射率高時，建議標稱選擇32A。

1.2.3 以單面640Wp組件為例，Isc短路電流為18.34A，Imp最大功率點工作電流為17.3A。直流熔斷器I1≥1.5×18.34=27.51A，直流熔斷器可選擇32A。

1.2.4 以雙面640Wp組件為例，組件正面Isc短路電流為18.26A，Imp最大功率點工作電流為17.19A。直流熔斷器I1≥1.5×18.26×1.15=31.5A，直流熔斷器可選擇32A。考慮有些地區光資源較好，地面反射率高時，建議標稱選擇35A。

其他型號組件可參考類同設計選型。

1.3 直流斷路器

1500V系統斷路器主要選擇為塑殼斷路器，其額定電流主要受到接入組串數量來決定。基于GB∕T 14048.2-2020 《低壓開關設備和控制設備 第2部分：斷路器》和CNCA-CTS-0001-2011A《光伏匯流設備技術規范》等國標、行標要求，考慮斷路器額定電流應不小于1.25倍負載電流，本次計算不考慮海拔高度、電壓波動、斷路器產品手冊溫升值等因素，后期具體項目需予以參考修正[2]。

若選用16匯1匯流箱，組件選用540單面，則匯流箱出線負載電流最大值I1=16×12.97A=207.52A。按照1.25倍負載電流考慮，斷路器額定電流I2≥1.25×207.52A=259.4A。因此斷路器選型為額定電流320A（基于市場斷路器產品檔位規格）。

若選用16匯1匯流箱，組件選用540雙面組件，則匯流箱出線負載電流最大值I1=16×12.97A×1.15=238.65A。按照1.25倍負載電流考慮，斷路器額定電流I2≥1.25×238.65A=298.31A。因此斷路器選型為額定電流320A（基于市場斷路器產品檔位規格）。

同理可推斷24匯1匯流箱，以及選擇640單面、雙面組件所對應的斷路器選型規格。

1.4 線纜接頭

匯流箱接頭有螺紋接頭、MC4插頭等。

1.4.1 螺紋接頭：該結構插頭較為常見。夾緊圈經特殊設計，拉力強，對點擊不造成損傷。同時不需將固定頭解體，電纜可直接穿入上緊即可，省時方便。

1.4.2 MC4插頭：該結構插頭成本相對較高。PPE材質居多，電纜接線時可自動鎖扣插接，裝拆簡易，防水性能較好。在安裝高度較大，水上作業時，一般可以推薦使用[3]。但采用該插頭方案其光伏線引至匯流箱時，每串組件需要增加2個插頭，有效與箱體插頭進行無縫對接，導致工程系統成本進一步上升。

綜合考慮，匯流箱本體結構設計時采用螺紋接頭即可。

1.5 溫升值修正

斷路器一般對自身環境使用條件有所明確，以ABB產品為例，斷路器工作環境溫度范圍-25°～70°，在40°時脫扣電流等于額定電流，不降容。超過40°時脫扣電流會降低，降容運行。

ABB斷路器額定電流320A時，50°、60°、70°對應的脫扣電流為305A，285A，263A。額定電流400A時，對應的脫扣電流為380A、355A、325A。

若考慮70°運行不使斷路器出現脫扣情況，在16匯1匯流箱（298.31A）電流情況下，斷路器應選擇400A才能滿足298.31A負載電流要求。1.6海拔修正

高海拔地區（低壓電氣2000m以上）自然氣候條件主要為：①空氣密度及氣壓較低。②空氣溫度較低，溫度變化較大。③空氣絕對濕度小。④太陽輻射強度較高。⑤土壤溫度較低，凍結期長。

對于市場斷路器品牌來說，每家斷路器廠家對于海拔降容數據有所不一。具體選型時可參照產品手冊對應執行即可，此處不做詳細介紹。

2 外部設計

2.1 匯流箱布置設計

一般匯流箱布置大體分為兩種方案：邊緣布置和居中布置。

如下圖所示，左側為匯流箱放置于最邊緣支架的立柱處，右側為匯流箱放置于中間支架的立柱處（靠近逆變器側）。若支架長為X，寬為Y，支架與支架之間的間距為A。兩種方案電纜余量、敷設高度總計為B。

2.1.1 邊緣布置。路徑光伏線用量為:

2(X+3Y+3A)+2(X+2Y+2A)+2(X+Y+A)+2(3Y+3A+2Y+2A+Y+A)+15B=6X+24Y+24A+15B，考慮每個組串為正極和負極2種，因此1臺匯流箱電纜用量應為12X+48Y+48A+30B。

圖1 匯流箱邊緣布置、居中布置示意圖

2.1.2 居中布置。路徑光伏線用量為：

2×[2(2Y+2A)+2(Y+A)+2(Y+A)]+15B=16Y+16A+15B，考慮每個組串為正極和負極2種，因此1臺匯流箱電纜用量應為32Y+32A+30B。

由上述內容可知，第一種邊緣布置方案光伏線纜用量最大，第二種居中布置光伏線纜用量最小。

2.2 16匯1/24匯1選型設計

2.2.1 16匯1直流匯流箱。16個組串接入1臺匯流箱，光伏線用量少，對于一個方陣而言匯流箱數量會增多。

匯流箱接入集中式逆變器時，所需要的塑殼斷路器數量增多。

2.2.2 24匯1直流匯流箱。24個組串接入1臺匯流箱，光伏線用量多，但匯流箱數量則會有所減少。

隨著市場組件功率不斷增大，額定輸出電流大，導致匯流箱出線電纜載流量過大。同時，受地形原因，組件支架分布不規則，光伏線敷設時盡可能集中敷設，建議以16匯1作為首選，并根據整體系統設計進行修正優化。

2.3 系統設計

以16匯1匯流箱、1500V直流系統為例，放入方陣系統中進行匯流箱布置設計，考慮不同布置方案對應的光伏線、穿線管、低壓出線電纜截面及長度、電纜溝（或橋架）、路徑青賠等綜合考慮來判定系統成本大小。

比如，組件采用540Wp雙面組件，28塊組件為1串，每16串接入1臺16匯1匯流箱，每13～16個匯流箱通過鋁合金電纜ZRYJLHV22-1.8/3kV-2×150/184/240mm2直埋敷設至3.125箱逆變一體機。通過計算光伏區方陣所涉及成本費用來確定最優方案。

圖2 邊緣布置、居中布置方陣示意圖

3 結束語

一般以16匯1直流匯流箱、居中布置作為目前市場首選方案。根據市場價格具體修正方案模型，合理調整匯流箱本體材料、光伏線1×4、低壓電纜、青賠、材料安裝費等價格，從而實現項目成本目標控制。