光伏智能直流匯流箱功能定位

顧懷本

摘要：光伏發(fā)電已廣泛的應(yīng)用于通訊、能源、農(nóng)業(yè)、交通以及民宅等諸多領(lǐng)域，也越來(lái)越被世人所接受和熟知，如何做到系統(tǒng)效率最優(yōu)、運(yùn)行維護(hù)更便捷，不僅是廣大用戶最關(guān)心的重要和熱點(diǎn)問(wèn)題，也是行業(yè)從業(yè)者尤其是技術(shù)人員重要的研究方向。為此，從光伏發(fā)電系統(tǒng)中的一個(gè)小型設(shè)備——直流匯流箱著手，分析其技術(shù)革新過(guò)程中的實(shí)際功能定位，以期給廣大用戶提供一點(diǎn)點(diǎn)幫助。

關(guān)鍵詞：智能；匯流箱；功能；定位

中圖分類號(hào)：TB

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

doi：10.19311/j.cnki.16723198.2016.21.134

0概述

太陽(yáng)能發(fā)電不需要燃料，無(wú)氣體排放，屬于“綠色”能源，具有無(wú)污染、安全、長(zhǎng)壽命、維護(hù)簡(jiǎn)單、資源永不枯竭和資源分布廣泛等特點(diǎn)，被認(rèn)為是21世紀(jì)最重要的新能源，可廣泛應(yīng)用于航天、通訊、能源、農(nóng)業(yè)、辦公設(shè)施、交通以及民宅等領(lǐng)域。其中光伏發(fā)電是當(dāng)今主流的太陽(yáng)能發(fā)電方式，而且發(fā)展迅猛。至2016年上半年，全國(guó)累計(jì)光伏裝機(jī)容量接近60GW，排名全世界第一位，已從全球制造大國(guó)成功轉(zhuǎn)變成使用大國(guó)。在將來(lái)的一段時(shí)期內(nèi)，光伏發(fā)電還是以大型地面集中型和小型分布式為主的方式快速發(fā)展。

大型光伏發(fā)電系統(tǒng)的原則構(gòu)成主要是由太陽(yáng)能電池組件、直流匯流箱、逆變器、升壓變壓器、高低壓（交直流）配電裝置等設(shè)備組成，具體見(jiàn)圖1。

對(duì)于大型光伏發(fā)電系統(tǒng)，為了減少光伏組件與逆變器之間連接線，方便維護(hù)，提高可靠性，一般需要在光伏組件與逆變器之間增加直流匯流裝置。使用光伏直流匯流箱，用戶可以根據(jù)逆變器輸入的直流電壓范圍，把一定數(shù)量的規(guī)格相同的光伏組件串聯(lián)組成1個(gè)光伏組件串列，再將若干個(gè)串列接入光伏直流防雷匯流箱，極大的方便了后級(jí)逆變器的接入。目前，有項(xiàng)目也采用數(shù)十千瓦級(jí)的組串式逆變器，而不采用兆瓦級(jí)的集中式逆變器，雖然可以取代直流匯流裝置，但是如果項(xiàng)目規(guī)模較大，使得組串式逆變器的使用數(shù)量會(huì)變得非常龐大，對(duì)于系統(tǒng)的運(yùn)維和數(shù)據(jù)處理都將帶來(lái)非常大工作量。本文著重從有使用直流匯流箱需求的基本前提出發(fā)，分析一下智能直流匯流箱的功能定位，使其在光伏發(fā)電系統(tǒng)中能更好的發(fā)揮積極作用。

1光伏直流匯流箱的基本功能

光伏直流防雷匯流箱的基本功能是用于連接光伏陣列（組串）及逆變器，提供防雷及過(guò)流保護(hù)。在太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)中，為了減少太陽(yáng)能光伏電池陣列與逆變器之間的連線，用戶可以將一定數(shù)量、規(guī)格相同的光伏電池串聯(lián)起來(lái)，組成一個(gè)個(gè)光伏串列，然后再將若干個(gè)光伏串列并聯(lián)接入光伏直流匯流箱，在光伏直流匯流箱內(nèi)匯流后，通過(guò)直流斷路器輸出，與光伏逆變器配套使用從而構(gòu)成完整的光伏發(fā)電系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)與電網(wǎng)連接。為了提高系統(tǒng)的可靠性和實(shí)用性，在光伏匯流箱里配置光伏專用直流防雷模塊、直流熔斷器、防反二極管和斷路器等（原理及實(shí)物見(jiàn)圖2）。

光伏直流匯流箱的結(jié)構(gòu)和機(jī)柜本身的制造質(zhì)量、主電路連接、二次線及防雷、防反二極管等電氣元件安裝等應(yīng)符合標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范要求，同時(shí)還應(yīng)滿足室外安裝的使用要求，也就是要求其防護(hù)等級(jí)應(yīng)達(dá)到IP65以上。

2智能型光伏直流匯流箱

前述光伏直流防雷匯流箱，只是實(shí)現(xiàn)了匯集若干個(gè)光伏組串的電流、防雷和防止電流逆流發(fā)生局部過(guò)熱等基本功能，節(jié)約了線纜和方便了后續(xù)設(shè)備逆變器的接入，但是對(duì)于所接入的光伏組串的運(yùn)行參數(shù)、對(duì)直流熔斷器和直流斷路器以及避雷器的運(yùn)行狀況等均無(wú)法直觀的被掌握，對(duì)于大型光伏電站項(xiàng)目，更是工作量巨大，設(shè)備故障很難在第一時(shí)間被發(fā)現(xiàn)和消除。隨著技術(shù)的進(jìn)步，應(yīng)運(yùn)而生的是智能型光伏直流防雷匯流箱。智能型光伏直流防雷匯流箱不僅具備了普通光伏直流防雷匯流箱的全部功能，還增加了智能采集裝置，是專門(mén)用于監(jiān)測(cè)光伏電池陣列中電池組串的運(yùn)行參數(shù)——電流電壓的測(cè)量，還有避雷器、直流熔斷器、防反二極管、直流斷路器的狀態(tài)采集和繼電器接點(diǎn)輸出，并帶有風(fēng)速、溫度、輻照儀等傳感器接口，通過(guò)RS485接口可以把測(cè)量和采集到的數(shù)據(jù)和設(shè)備狀態(tài)上傳至后臺(tái)監(jiān)控服務(wù)器上，實(shí)現(xiàn)人機(jī)友好的交互功能，其原理及實(shí)物見(jiàn)圖3。

3智能型光伏直流匯流箱的實(shí)際運(yùn)行情況及原因分析

3.1數(shù)據(jù)量巨大，給數(shù)據(jù)的后臺(tái)處理帶來(lái)難度

以一個(gè)20MWp的光伏電站項(xiàng)目，光伏組件按260W標(biāo)稱功率計(jì)算和組串以22塊構(gòu)成，全站共有76912塊組件和約3500個(gè)組串，兩百多只直流匯流箱（16進(jìn)1出），加上逆變器和升壓變壓器等數(shù)據(jù)，數(shù)以萬(wàn)計(jì)的數(shù)據(jù)信息要實(shí)時(shí)采集到監(jiān)控后臺(tái)，并進(jìn)行分析、匯總、比對(duì)、報(bào)警和形成報(bào)表等，這就給后臺(tái)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理能力提出了更高的要求。

3.2安裝工藝的欠規(guī)范，導(dǎo)致信號(hào)傳輸受干擾

按照規(guī)范，交直流電纜和通信電纜，都應(yīng)該單獨(dú)敷設(shè)或分層敷設(shè)，以實(shí)現(xiàn)安全和消除干擾的目的。可是在實(shí)際操作當(dāng)中，很鮮見(jiàn)有將通信電纜跟動(dòng)力電纜分開(kāi)的，基本都是一個(gè)橋架一起敷設(shè)，免不了會(huì)有共模干擾等影響信號(hào)傳輸?shù)囊蛩卮嬖?。還有項(xiàng)目采用無(wú)線傳輸，也同樣會(huì)受到高壓電磁場(chǎng)和其他信號(hào)源的干擾。這些都將影響到數(shù)據(jù)采集的可靠性和準(zhǔn)確性。

3.3被測(cè)參數(shù)的量值較小，加上測(cè)量精度的原因，降低了數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確度等級(jí)

光伏組串的電流值一般都在0～10A之間，主要受光照和環(huán)境溫度的影響而變化，大部分是在0～7A之間運(yùn)行，多云天氣大多在1～2A之間運(yùn)行，量值比較小。目前市場(chǎng)上的光伏智能直流匯流箱的電流測(cè)量元件多采用霍爾傳感器實(shí)現(xiàn)，霍爾傳感器受溫度和電磁場(chǎng)、不等位電勢(shì)等外界因素的影響，精確度波動(dòng)較大。當(dāng)運(yùn)行參數(shù)處于較小量值時(shí)，又有外界干擾，使得顯示給運(yùn)維人員的參數(shù)就偏差較大，使日常的運(yùn)行維護(hù)明顯失去了判斷和決策的可靠依據(jù)。

3.4運(yùn)維人員的責(zé)任心對(duì)實(shí)際使用效率影響較大

當(dāng)現(xiàn)場(chǎng)出現(xiàn)上圖中的數(shù)據(jù)偏差信息的時(shí)候，剛開(kāi)始運(yùn)維人員一般都會(huì)去現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行檢查和確認(rèn)，發(fā)現(xiàn)的確有缺陷和故障時(shí)，會(huì)盡快消除，保證了設(shè)備的可用率。但是有時(shí)候是信號(hào)干擾或其他因素影響導(dǎo)致的，運(yùn)維人員在經(jīng)過(guò)幾次的“白跑”之后，往往會(huì)放松和懈怠，再到后期就可能視而不見(jiàn)，等到“狼真的來(lái)了”，也不會(huì)去核實(shí)，導(dǎo)致系統(tǒng)效率受到顯著影響。還有個(gè)別現(xiàn)象，從一開(kāi)始就沒(méi)有調(diào)試好，后臺(tái)基本一直無(wú)數(shù)據(jù)顯示，也無(wú)人問(wèn)津，結(jié)果智能設(shè)備就成了擺設(shè)。

4功能定位

比起第一代匯流箱，現(xiàn)在的匯流箱技術(shù)已向智能控制型發(fā)展：防反二極管散熱器外置，以保證箱體內(nèi)的溫度不會(huì)過(guò)高；正負(fù)極都帶直流熔斷器，保證后續(xù)工作元器件的穩(wěn)定運(yùn)行；四級(jí)斷路器分別串聯(lián)使用，提高電壓保護(hù)等級(jí)；自供電技術(shù)的應(yīng)用，使得匯流箱本身成本降低的同時(shí)也降低了對(duì)于獨(dú)立電源的消耗成本；智能數(shù)據(jù)采集裝置，使用戶方便掌握每一串光伏組件的工作狀態(tài)，還可以進(jìn)行各系統(tǒng)的效率比對(duì)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)設(shè)備的運(yùn)行缺陷和故障并得到快速的消除，提升電站的整體效率和安全系數(shù)。

鑒于上述種種優(yōu)缺點(diǎn)，對(duì)待光伏智能直流匯流箱的功能就要根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行定位了，不能“迷信”也不能“一棍子打死”。規(guī)模相對(duì)小的項(xiàng)目，可以采取其他方式對(duì)光伏組串進(jìn)行監(jiān)測(cè)。當(dāng)規(guī)模較大且現(xiàn)場(chǎng)具備相應(yīng)條件時(shí)，應(yīng)盡量的將通信電纜單獨(dú)敷設(shè)，同時(shí)采購(gòu)優(yōu)質(zhì)的智能測(cè)控裝置，減小外界干擾和測(cè)量誤差，在后臺(tái)系統(tǒng)搭建時(shí)，充分考慮對(duì)干擾和誤差的判斷和屏蔽，使得光伏智能直流匯流箱真正的發(fā)揮其智能的積極作用。