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光伏发电系统的电路保护设计-光伏断路器应用

发布者:辉能电气时间:2018-11-10浏览:274

全球对绿色能源的需求推动了太阳能发电系统的强劲增长。虽然大量的开发工作仍然集中在使光伏(PV)能量转换更有效,但是也迫切需要使太阳能的输送更有效,可靠和成本有效。最近美国能源部(DOE)宣布其“SunShot”倡议突显了这种需求,该倡议旨在将公用事业规模的光伏发电系统的总成本降低约75%,并旨在使其成为可能。与其他发电方法相比具有成本竞争力。

切削刃的电路设计
实际光伏电气系统开发的责任最终落在电路设计人员的肩上,包括为创建完整太阳能系统的公司工作的人员,为最终客户提供交钥匙系统的系统集成商,以及各种太阳能子系统的设计者。这些设计师中的许多人都负责制造能够优化光伏装置性能和成本的电子产品。这些工程师通常参与太阳能电池阵列,直流汇流箱或逆变器的电路设计。

太阳能系统涉及相对较新的技术,因此PV系统设计者通常在处理不同类型的电气和电子系统方面具有更多经验。例如,一家现在生产小型太阳能逆变器的公司可能以前专注于建设电力转换或UPS系统。在新的职位上,这些新的光伏系统设计人员可能会被要求设计1MW DC规模的太阳能电路,以连接到电网。为这些高压太阳能应用设计电路和指定组件与应用于其他直流电源系统甚至高功率交流应用时的相同任务有很大不同。

基本电路保护需求
太阳能电路的电路保护装置的选择是设计者可能遇到麻烦的一个领域。这些电路可用于从住宅规模应用到用于大型工业设施和并网太阳能农场的系统。在所有这些系统中,许多地方都需要电路保护装置(图1)。许多应用笔记可用于为选择用于监视和控制的AC电源和数字通信系统的电路保护装置提供指导。这些领域超出了本文的范围,本文侧重于太阳能系统的直流侧,电路设计人员更容易遇到意料之外的问题。


图1。太阳能系统中需要电路保护装置的地方。如需更大(5M pdf)版本的图像,请单击此处。

在典型的太阳能电气系统中,各个太阳能电池板或模块串联连接以增加输出电压,这又提高了效率。多个串并联连接以获得所需的输出电流和所产生的功率。根据系统尺寸和设计细节,并联串可以串联组合箱连接,可以在阵列组合箱内并联连接,然后连接到逆变器。图2。


图2:典型的太阳能电力系统

在大多数情况下,使用组合框在可访问的位置连接多个字符串和数组。这些通用连接点有助于简化系统的组装和维护。无论在何处使用,都需要分析电路以确定系统的可用故障电流(即短路电流)与组件的过电流能力相比较,然后安装适当的电路保护装置防止损坏PV模块,断开连接,接线和接线设备。

直流与交流电路保护
光伏断路器通常是太阳能系统的AC侧上的优选保护方法,并且尝试在DC侧使用相同的断路器可能是诱人的。虽然光伏断路器方法很方便,但作为一般规则,它并不总是最好的方法。设计人员必须仔细确定太阳能系统直流侧使用的电路保护装置是否由美国保险商实验室(UL)或VDE等外部机构设计,测试和认证为PV标准,以确保设备将在发生故障时正常运行。电路保护装置中断直流电压要比等效的RMS交流电压困难得多。这是由每个电压周期内交流电路电压达到零伏两倍的基本原理驱动的,

鉴于太阳能PV板产生DC功率,对于PV板上的给定辐照度水平,电流和电压是恒定的。对于高压DC电流,典型的电路保护装置难以在太阳能系统中可能发生的操作条件范围内可靠地中断电路。在最坏的情况下,未为DC PV系统设计和认证的电路保护装置可能会剧烈失效,从而导致设备损坏,火灾甚至可能对人员造成伤害。然而,最常见的问题是在典型的PV系统过流条件下,设备不能足够快地运行。

例如,在一个字符串中,短路电流(I SC)可能不会比正常电流高很多。典型的太阳能电池串在正常运行时可输出4.2A,其正向I SC约为4.5A。当与小型450VDC 10kW系统中的其他串组合使用时,在发生串故障时,正确大小的10A过流保护装置(OCPD)将被调用以中断的短路电流将约为20A。这些高直流电压,低过载条件是设计具有成本效益的OCPD的主要挑战,该OCPD可在适当的电压,电流和温度范围内中断电路。

由于这些原因,最常见的第一道防线是保险丝形式的OCPD(图3)。作为固有无源器件的保险丝可以设计成比具有相同性能特征的断路器便宜。这些PV系统保险丝及其测试在UL标准2579,用于光伏系统的低压保险丝和IEC标准60269-6中描述。这些保险丝标准是与PV面板标准UL 1703和IEC60129以及逆变器标准UL1741和IEC61727协同创建的。


图3。具有熔断器和其他接线设备的典型串组合器的示意图。

根据应用和系统设计,直流串电压通常在300V至1000V的范围内,但在并网系统中可能高达1500VDC。必须相应地选择汇流箱的保险丝,光伏断路器,接线装置等。此外,UL和IEC标准对这些应用中使用的OCPD具有特定的性能要求。

当OCPD是保险丝时,必须选择它以保护工作在其短路电流额定值的PV电源电路,并在该电路发生故障时保护它。NEC第690.8(A)(1)条将故障电流定义为PV I SC的 125%,加上任何可能与正常电流相反方向流动的反向或反馈电流。

通常,故障期间的反向电流源来自受影响阵列中其他串的反馈电流(I BACKFEED)。图4a和4b。I BACKFEED可以计算为近似Isc x(n-1),其中n等于受影响数组中的字符串数。UL1703和IEC60129规定了PV面板测试,以确保在反馈电流等于或小于Istring熔丝x两个小时的135%的情况下,面板没有危险的过热。UL PV保险丝标准随后将PV保险丝开口特性定义为不大于Istring保险丝x 135%一小时。当使用带UL保险丝的UL或IEC面板时,这可确保正确协调。


图4a:由故障引起的反馈电流


图4a:由故障引起的反馈电流