光伏發(fā)電系統(tǒng)直流側(cè)配置和安全要求探討

李瓊

摘要：光伏發(fā)電是新能源的一個(gè)重要組成部分，在減少碳排放和降低環(huán)境污染方面有重大的意義。對(duì)光伏發(fā)電系統(tǒng)來說，日常發(fā)生的大部分問題都出現(xiàn)在直流側(cè)，在設(shè)計(jì)和安裝階段做好直流側(cè)的安全和質(zhì)量控制可以有效延長光伏系統(tǒng)的使用壽命，提高光伏系統(tǒng)的發(fā)電效率。結(jié)合國際標(biāo)準(zhǔn)，基于設(shè)計(jì)角度對(duì)光伏發(fā)電系統(tǒng)直流側(cè)的關(guān)鍵零部件選配和安裝進(jìn)行探討，力求為國內(nèi)蓬勃發(fā)展的光伏發(fā)電行業(yè)提供安全和質(zhì)量管控方面的理論指導(dǎo)。

關(guān)鍵詞：光伏發(fā)電；光伏系統(tǒng)；安全；質(zhì)量

中圖分類號(hào)：TB文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：16723198（2015）04016402

1光伏發(fā)電系統(tǒng)配置要求

1.1光伏發(fā)電系統(tǒng)基本要求

大中型地面光伏發(fā)電站的發(fā)電系統(tǒng)宜采用多級(jí)匯流，分散逆變，集中并網(wǎng)系統(tǒng)。為了防止不匹配并提高電站性能，接入逆變器同一路MPPT輸入回路的所有組串必須選用相同品牌，型號(hào)和數(shù)量的組件。組串中的組件安裝方位角和傾角偏差不能超過5°。

光伏發(fā)電系統(tǒng)直流側(cè)的設(shè)計(jì)電壓應(yīng)高于光伏方陣的最大電壓VMAX ARRAY，系統(tǒng)中所采用的設(shè)備和材料應(yīng)適合直流使用，設(shè)備和材料的最高允許工作電壓應(yīng)不低于該設(shè)計(jì)電壓，額定電流應(yīng)大于部件所處回路中的過流保護(hù)器觸發(fā)值。

戶外使用的設(shè)備防護(hù)等級(jí)至少要達(dá)到IP54以上，并且具備耐紫外線能力。防護(hù)等級(jí)需充分考慮設(shè)備的安裝方位。

1.2光伏發(fā)電系統(tǒng)直流側(cè)關(guān)鍵部件的選配和安裝

1.2.1光伏方陣切斷裝置要求

方陣和功率轉(zhuǎn)換器之間需配置全極切斷裝置，確保維護(hù)人員在對(duì)功率轉(zhuǎn)換器進(jìn)行維修時(shí)不會(huì)造成觸電的危險(xiǎn)。該切斷裝置需安裝在靠近功率轉(zhuǎn)換器的位置或直接安裝在功率轉(zhuǎn)換器內(nèi)部。如果方陣和功率轉(zhuǎn)換器之間有多個(gè)切斷裝置，則切斷裝置總數(shù)不允許超過六個(gè)，并且需滿足以下兩者之一：（1）所有切斷裝置同時(shí)動(dòng)作；（2）有切斷裝置處在同一位置，并且在該位置加貼警告語，明確指出必須同時(shí)斷開所有切斷裝置才能確保方陣和功率轉(zhuǎn)換器徹底分離。

1.2.2斷路器

方陣中的斷路器必須符合以下要求：通過IEC60947-2認(rèn)證；選用非極性斷路器，同時(shí)切斷正負(fù)極；額定分?jǐn)嚯娏鞔笥谒幓芈分械倪^流保護(hù)器觸發(fā)值；如果同時(shí)做為過流保護(hù)器使用則必須符合相應(yīng)回路中對(duì)過流保護(hù)器觸發(fā)值In的要求。

1.2.3線纜

線纜的選型應(yīng)符合以下要求：額定溫度符合現(xiàn)場環(huán)境要求；暴露在陽光下的線纜需具備耐紫外線能力；選用柔性多股線；低壓直流線纜需選用PV1-F雙重絕緣鍍錫銅線；組串線纜的載流量按（（SA-1）×ISC MOD）計(jì)算。其中，SA為光伏方陣中并聯(lián)的組串總數(shù)；ISC MOD為STC條件下，光伏組串的短路電流；線纜線徑大小必須根據(jù)安裝方式和載流量按照IEC60364-5-52的要求進(jìn)行選配。

1.2.4連接器

連接器應(yīng)符合以下要求：通過EN50521認(rèn)證；內(nèi)部導(dǎo)體在連接器斷開或閉合的情況下都不允許裸露；額定電流大于連接器所處回路中的過流保護(hù)器觸發(fā)值；與線纜線徑相匹配；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)避免可以被輕易斷開，并且確保只有同一廠家同一型號(hào)的連接器才能互聯(lián)；額定溫度和使用環(huán)境相匹配；具備雙重絕緣或加強(qiáng)絕緣保護(hù)；戶外使用連接器需符合相應(yīng)的耐紫外線和IP防護(hù)等級(jí)要求；避免受拉力作用。

1.2.5保險(xiǎn)管

保險(xiǎn)管應(yīng)符合以下要求：選用額定為直流的保險(xiǎn)管；額定電壓大于方陣最大電壓；額定分?jǐn)嚯娏鞔笥谒幓芈分械倪^流保護(hù)器觸發(fā)值；如果同時(shí)做為過流保護(hù)器使用則必須符合相應(yīng)回路中對(duì)過流保護(hù)器觸發(fā)值In的要求，并且選用符合IEC60269-6要求的類型。

1.2.6旁路二極管

安裝在組件接線盒以外旁路二極管應(yīng)符合以下要求：額定電壓大于兩倍ISC MOD；額定電流大于1.4倍ISC MOD；需安裝在匯流箱或其他部件內(nèi)部。

1.2.7防反二極管

防反二極管應(yīng)符合以下要求：額定電壓大于兩倍方陣最大電壓；額定電流大于1.4倍所處回路的短路電流（STC）；需安裝在匯流箱或其他部件內(nèi)部。

1.2.8匯流箱

匯流箱應(yīng)依據(jù)型式，絕緣水平，電壓，溫升，防護(hù)等級(jí)，輸入輸出回路數(shù)，輸入輸出額定電流等技術(shù)條件進(jìn)行選擇。匯流箱應(yīng)按環(huán)境溫度，相對(duì)濕度，海拔高度，地震烈度，污染等級(jí)等使用環(huán)境條件進(jìn)行校驗(yàn).匯流箱應(yīng)具有以下保護(hù)功能：載流件與外殼之間的絕緣阻抗不低于1M歐；應(yīng)設(shè)置防雷保護(hù)裝置；采用金屬箱體的匯流箱應(yīng)可靠接地；匯流箱的輸入回路宜具有防逆流及過流保護(hù)，對(duì)于多級(jí)匯流光伏發(fā)電系統(tǒng)，如果前級(jí)已有防逆流保護(hù)，則后級(jí)可不做防逆流保護(hù)；匯流箱的輸出回路應(yīng)具有隔離保護(hù)措施；宜設(shè)置監(jiān)測裝置；戶外使用匯流箱應(yīng)具備防腐，防銹，防暴曬等措施，匯流箱體的防護(hù)等級(jí)不低于IP54。匯流箱必須安裝在便于操作和維護(hù)的位置。

1.2.9光伏支架

光伏支架應(yīng)結(jié)合工程實(shí)際選用材料，設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)方案和構(gòu)造措施，保證支架結(jié)構(gòu)在運(yùn)輸，安裝和使用過程中滿足強(qiáng)度，穩(wěn)定性和剛度要求，并符合抗震，抗風(fēng)和防腐等要求。光伏支架材料宜采用鋼材，材質(zhì)的選用和支架設(shè)計(jì)應(yīng)符合GB50017的規(guī)定。支架的防腐應(yīng)符合以下要求：支架在構(gòu)造上應(yīng)便于檢查和清刷，支架的安裝位置必須確保在降雨或組件清洗的時(shí)候，水能夠及時(shí)排走；剛支架防腐宜采用熱鍍浸鋅，鍍鋅層厚度不應(yīng)小于55um；支架的卡扣，螺絲和螺母等固定件必須選用不銹鋼材質(zhì)；鋁合金支架應(yīng)進(jìn)行表面防腐處理，可采用陽極氧化處理措施。

1.2.10自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)

自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)的檢查，至少包含如下項(xiàng)目：自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)的導(dǎo)線應(yīng)具備足夠的長度和必要的防護(hù)措施，防止系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)導(dǎo)線受力或磨損；自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)在電源停電或控制失效時(shí)，方陣可手動(dòng)調(diào)整為正向朝南位置；自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)在風(fēng)速超過最大允許風(fēng)速時(shí)，方陣可自動(dòng)調(diào)整為水平方向。

2光伏方陣安全要求

2.1通用要求

家用光伏發(fā)電系統(tǒng)的組件開路電壓不允許超過600V。對(duì)于組件開路電壓超過600V的非家用光伏發(fā)電系統(tǒng)，整個(gè)系統(tǒng)方陣，所有連接線纜和匯流箱都必須安裝在有隔離防護(hù)措施的區(qū)域，確保只有具備相關(guān)資質(zhì)的維護(hù)人員才能進(jìn)去其中。

2.2防止觸電危險(xiǎn)

組件必須符合IEC60730-1，IEC60730-2， IEC61215（晶硅組件），IEC61646（薄膜組件）標(biāo)準(zhǔn)的要求，A類和C類組件必須使用在各自額定的條件下，任何情況下不允許使用B類組件。開路電壓超過50V的組件需加旁路二極管（一塊組件至少須有一個(gè)旁路二級(jí)管）。光伏系統(tǒng)在低壓側(cè)（1000AC或1500VDC以下）的所有連接線纜必須選用雙重絕緣線。對(duì)于組件輸出一極（正極或負(fù)極）接地的并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)，在直流側(cè)和交流側(cè)之間必須配置符合IEC62109-2要求的隔離變壓器。

2.3過流保護(hù)

2.3.1組串過流保護(hù)器

在以下情況下組串需配置過流保護(hù)器：

（SA-1）×ISC MOD>IMOD MAX OCPR

一般情況下每個(gè)組串都應(yīng)該提供單獨(dú)的過流保護(hù)器，過流保護(hù)器額定觸發(fā)電流In需滿足以下要求：

In>1.5×ISC MODIn<2.4×ISC MODIn≤IMOD MAX OCPR

如果組件IMOD MAX OCPR大于組串ISC MOD×5， 并且滿足以下條件， 則允許并聯(lián)組串公用一個(gè)過流保護(hù)器：

Ing≥1.5×（Sg）×ISC MODIng

Sg為并聯(lián)組串?dāng)?shù)量；Ing為過流保護(hù)器額定觸發(fā)電流。

2.3.2子陣過流保護(hù)器

每個(gè)子陣都必須配置單獨(dú)的過流保護(hù)器，過流保護(hù)器額定觸發(fā)電流In需滿足以下要求：

In≥1.5×ISC S-ARRAYIn≤2.4×ISC S-ARRAY

2.3.3方陣過流保護(hù)器

當(dāng)方陣與電池或其他儲(chǔ)能元件連接時(shí)，在方陣與儲(chǔ)能元件之間需配置過流保護(hù)器防止儲(chǔ)能元件的故障電流損壞方陣。方陣過流保護(hù)器額定觸發(fā)電流In需滿足以下要求：

In≥1.25×ISC S-ARRAYIn≤2.4×ISC S-ARRAY

2.3.4過流保護(hù)器安裝位置

組串過流保護(hù)器應(yīng)安裝在組串匯流箱內(nèi)部。子陣過流保護(hù)器應(yīng)安裝在子陣匯流箱內(nèi)部。方陣過流保護(hù)器應(yīng)安裝在方陣與儲(chǔ)能元件之間靠近儲(chǔ)能元件的位置。在低壓方陣中，過流保護(hù)器需安裝在所有非接地導(dǎo)線上。在特低壓方陣中，過流保護(hù)器可以安裝在正極或負(fù)極，如果特低壓方陣中有一極接地，則過流保護(hù)器需安裝在非接地導(dǎo)線上。

2.4接地故障保護(hù)

光伏方陣的接地故障保護(hù)配置需符合IEC62109-2的要求。

2.5過電壓保護(hù)

為了防止雷擊或電網(wǎng)電壓波動(dòng)引起的過電壓所造成的損害，光伏方陣應(yīng)根據(jù)過電壓產(chǎn)生的原因配置相應(yīng)的保護(hù)措施。主要包括：接地，屏蔽，避雷擊，安裝浪涌保護(hù)裝置，減少閉環(huán)線路的形成。

2.5.1接地

將金屬箱體，支架和設(shè)備外殼連接到接地基準(zhǔn)點(diǎn)上，當(dāng)箱體帶電時(shí)可以將電流分流到大地。將系統(tǒng)中的正極或負(fù)極接地可以穩(wěn)定電氣系統(tǒng)對(duì)地的電壓，當(dāng)采用這種方式時(shí)，接地導(dǎo)線應(yīng)按照以下方法牢固接地：接地點(diǎn)應(yīng)置于光伏組件和其它元件如開關(guān)，斷路器，保護(hù)二極管之間盡可能靠近組件的位置，這樣可以確保永久接地，避免接地連接被開關(guān)元件切斷；當(dāng)從方陣中拆去任何一個(gè)組件時(shí)，系統(tǒng)接地和設(shè)備接地都不應(yīng)被切斷；直流系統(tǒng)和交流系統(tǒng)應(yīng)共用同一接地主電極。

2.5.2屏蔽

屏蔽是當(dāng)雷擊在系統(tǒng)附近的大地放電時(shí)，通過降低電磁場與系統(tǒng)輸電線路的相互作用對(duì)系統(tǒng)提供保護(hù).將線纜置于金屬線槽或?qū)Ч苤锌梢云鸬狡帘蔚淖饔?，線槽和導(dǎo)管的材質(zhì)選型應(yīng)避免容易被腐蝕或生銹。

2.5.3避雷擊

使用接地的避雷針或避雷器可以有效防止雷擊對(duì)光伏方陣造成的危害。在確定是否需要架設(shè)避雷裝置時(shí)，應(yīng)考慮以下各項(xiàng)因素：人員安全（現(xiàn)場是否有人值守）；避雷裝置的造價(jià)與直接雷擊的幾率和更換損壞元件的費(fèi)用之間的關(guān)系（雷擊發(fā)生幾率大于兩次每平方公里每年的區(qū)域應(yīng)考慮架設(shè)避雷裝置）；由于避雷裝置陰影引起的系統(tǒng)性能損失。

2.5.4浪涌保護(hù)裝置（SPD）

浪涌保護(hù)裝置用于對(duì)敏感設(shè)備如功率轉(zhuǎn)換器或其

（1）選用符合GB18802.1要求的浪涌保護(hù)裝置。

（2）SPD參數(shù)選擇：Uc > 1.15 × V MAX ARRAY， Uw < 0.8 × Up （V MAX ARRAY < 424V， Up = 2500V； 424V < V MAX ARRAY < 849V， Up = 4000V； 849V < V MAX ARRAY < 1500V， Up = 6000V）， Iimp > 12.5kA。

（3）在設(shè)計(jì)壽命內(nèi)，在額定工作條件下，保護(hù)裝置的衰退不得超過其標(biāo)稱值。

（4）保護(hù)裝置的衰退不得低于系統(tǒng)設(shè)計(jì)壽命的要求。

（5）保護(hù)裝置必須把被保護(hù)點(diǎn)的電壓限制在安全水平上，在預(yù)期的瞬變條件下，保護(hù)裝置不應(yīng)失效。

（6）盡可能把對(duì)系統(tǒng)的效率影響降到最小。

2.5.5減少閉環(huán)線路的形成

裸露的光伏方陣線纜在布線的時(shí)候應(yīng)該盡量確保正負(fù)極線纜捆綁在一起，避免形成閉環(huán)，從而降低形成過電壓的幾率。

2.6光伏方陣接地要求

如果方陣最大電壓超過特低電壓，則方陣中所有組件的邊框和支架都必須良好接地：接地應(yīng)連續(xù)，可靠，接地電阻應(yīng)小于4歐；接地連接可采用梅花墊圈，機(jī)械螺絲或?qū)Ｓ媒拥貖A塊；自攻螺絲不允許做為接地連接使用；接地連接件需選用不銹鋼或其它能防止生銹的材質(zhì)；接地方式的配置應(yīng)確保移動(dòng)任一組件不會(huì)影響到其他組件或整個(gè)方陣的接地連續(xù)性；如果方陣的接地連接同時(shí)做為防雷系統(tǒng)的組成部份則方陣應(yīng)直接和建筑物的主接地極連接，避免通過功率轉(zhuǎn)換器的接地連接再接到主接地極；接地線徑需滿足IEC60364-5-54的要求。

2.7防電弧保護(hù)

輸出電壓超過50V并且安裝在建筑物上的光伏方陣需配置防電弧保護(hù)裝置。防電弧保護(hù)裝置應(yīng)能及時(shí)檢測并切斷方陣中產(chǎn)生的電弧。防電弧切斷裝置觸發(fā)后不允許自動(dòng)合閘，并且具備相應(yīng)的蜂鳴器或指示燈等明顯的警告信號(hào)，警告信號(hào)在防電弧切斷裝置觸發(fā)階段應(yīng)該一直存在。

3結(jié)語

當(dāng)前，中國的碳排放量高居全球第一，遠(yuǎn)超排在第二位的美國，能源利用率也非常低。推廣太陽能，減少化石能源的使用將是未來一段時(shí)期內(nèi)的重要戰(zhàn)略任務(wù)。在設(shè)計(jì)和開發(fā)階段加強(qiáng)對(duì)光伏系統(tǒng)的安全和質(zhì)量控制有助于延長光伏系統(tǒng)的使用壽命，提高發(fā)電效率，有效提高能源利用率。從長遠(yuǎn)來看，不僅能夠帶來更大的經(jīng)濟(jì)效益，而且能夠降低環(huán)境污染，真正做到可持續(xù)發(fā)展。

參考文獻(xiàn)

[1]International standard IEC 62446 Edition 1.0： Grid connected photovoltaic systems – Minimum requirements for system documentation，commissioning tests and inspection.

[2]Australian/New Zealand Standard AS/NZS 50332012： Installation and safety requirements for photovoltaic （PV） arrays.