簡(jiǎn)述居民分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)配電箱的發(fā)展

浙江正泰安能電力系統(tǒng)工程有限公司■陸曉靜 吳星亮 陳圣金 盧凱 陸川

0 引言

環(huán)境污染和能源短缺問(wèn)題日益嚴(yán)重，全球化的“低碳革命”應(yīng)運(yùn)而生。光伏發(fā)電具有顯著的能源、環(huán)保和經(jīng)濟(jì)效益，是最優(yōu)質(zhì)的綠色能源之一。隨著光伏發(fā)電技術(shù)的進(jìn)步和國(guó)家及地方補(bǔ)貼政策的大力支持，居民分布式光伏發(fā)電的發(fā)展已經(jīng)進(jìn)入到大爆發(fā)階段。

光伏配電箱作為光伏發(fā)電系統(tǒng)中的一個(gè)重要組成部分，關(guān)系到光伏發(fā)電系統(tǒng)的安全運(yùn)行和運(yùn)維。隨著居民分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)的迅速發(fā)展，對(duì)配電箱性能的要求越來(lái)越高，配電箱也在不斷地進(jìn)行創(chuàng)新。基于此，本文著重介紹了近年來(lái)光伏配電箱的發(fā)展歷程。

1 居民分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)的原理

居民分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)包括組件、逆變器、配電箱、支架和線纜等。

將光伏組件安裝在閑置的居民屋頂，利用太陽(yáng)電池的光生伏特效應(yīng)，直接將太陽(yáng)的輻射能轉(zhuǎn)換為電能，產(chǎn)生的直流電通過(guò)直流線纜匯集到光伏逆變器，再由逆變器的升壓回路和全橋逆變回路轉(zhuǎn)化為工頻的交流電輸出。系統(tǒng)所發(fā)的電能既可居民自用，也能并網(wǎng)送入國(guó)家電網(wǎng)以獲得收益[1]。

圖1 居民分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)發(fā)電原理簡(jiǎn)圖

2 居民分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)的并網(wǎng)接入方案

2.1 “自發(fā)自用、余量上網(wǎng)”模式

在“自發(fā)自用、余量上網(wǎng)”的模式下，光伏配電箱的接入點(diǎn)設(shè)置在居民電表箱后端，光伏發(fā)電系統(tǒng)所發(fā)電量?jī)?yōu)先居民自用，消耗不完的部分輸送至國(guó)家電網(wǎng)。此時(shí)業(yè)主可更換成雙向電表，分別計(jì)量上網(wǎng)電量和下網(wǎng)電量。不同地區(qū)，要求可能略有不同。

圖2 “自發(fā)自用、余量上網(wǎng)”模式

2.2 “全額上網(wǎng)”模式

在“全額上網(wǎng)”模式下，光伏配電箱的接入點(diǎn)設(shè)置在居民電表箱前端，光伏發(fā)電系統(tǒng)所發(fā)電量全部輸送至國(guó)家電網(wǎng)。此時(shí)光伏配電箱中可使用雙向計(jì)量表，分別計(jì)量光伏發(fā)電系統(tǒng)的總發(fā)電量和逆變器自身消耗電量。不同地區(qū)，要求可能略有不同。

圖3 “全額上網(wǎng)”模式

3 光伏配電箱類(lèi)型介紹

光伏配電箱可分為簡(jiǎn)易款、基本款、標(biāo)準(zhǔn)款和高配款，下文將一一進(jìn)行詳細(xì)介紹。

3.1 簡(jiǎn)易款

簡(jiǎn)易款光伏配電箱的實(shí)物圖及原理圖如圖4所示。此類(lèi)配電箱內(nèi)的配置包括斷路器或隔離開(kāi)關(guān)，另外會(huì)單獨(dú)配備1臺(tái)計(jì)量箱放置計(jì)量電表，甚至部分配電箱不加裝浪涌保護(hù)器，所以在使用中會(huì)存在一定的風(fēng)險(xiǎn)[2]。

1)斷路器的功能。該類(lèi)斷路器主要適用于交流50 Hz或60 Hz、額定工作電壓415 V及以下的情況，主要能對(duì)線路及設(shè)備的過(guò)載、短路和欠電壓起到保護(hù)的作用。

2)斷路器的選型。在進(jìn)行斷路器選型時(shí)，需綜合考慮以下幾個(gè)重要參數(shù)。額定工作電壓(Ue)：為斷路器正常情況下的工作電壓。額定電流(In)：為規(guī)定環(huán)境溫度下斷路器所能無(wú)限承受的最大電流值。額定短路分?jǐn)嗄芰?Icu)：為斷路器能夠分?jǐn)喽槐粨p壞的最高電流值。

同時(shí)，選型時(shí)需考慮斷路器工作時(shí)的溫度限值。在目前的配電箱溫升試驗(yàn)中，電壓范圍一般為-35～70 ℃，因此，元器件也需達(dá)到此要求。

圖4 簡(jiǎn)易款光伏配電箱

3.2 基本款

基本款光伏配電箱的實(shí)物圖及原理圖如圖5所示。此類(lèi)配電箱內(nèi)的配置包括斷路器、隔離開(kāi)關(guān)和浪涌保護(hù)器。基本款在簡(jiǎn)易款的基礎(chǔ)上增加了浪涌保護(hù)的功能。

1)浪涌保護(hù)器的功能。當(dāng)線路中突然產(chǎn)生尖峰電流或電壓時(shí)，浪涌保護(hù)器能在極短時(shí)間內(nèi)導(dǎo)通分流，避免浪涌對(duì)回路中其他設(shè)備造成損害，使配電箱在雷雨天氣時(shí)不易損壞。

2)浪涌保護(hù)器的選型。浪涌保護(hù)器主要的技術(shù)參數(shù)有最大持續(xù)工作電壓(Uc)、額定電壓(Un)、最大沖擊通流量(Umax)、額定放電電流(In)、脈沖沖擊電流(Iimp)、殘壓(Ures)和額定頻率(Fn)等。具體選型時(shí)，除了各項(xiàng)技術(shù)參數(shù)需要符合要求外，還需綜合考慮最大持續(xù)工作電壓和殘壓的選擇，同時(shí)應(yīng)考慮到接入電網(wǎng)可能出現(xiàn)的正常波動(dòng)及可能出現(xiàn)的最大持續(xù)工作電壓。另外，建議選擇具備損壞提示和報(bào)警功能的浪涌保護(hù)器，以方便監(jiān)測(cè)其運(yùn)行狀態(tài)。

圖5 基本款光伏配電箱

3.3 標(biāo)準(zhǔn)款

標(biāo)準(zhǔn)款光伏配電箱的實(shí)物圖及原理圖如圖6所示。此類(lèi)配電箱內(nèi)的配置包括斷路器、浪涌保護(hù)器、自復(fù)式過(guò)欠壓保護(hù)器和隔離開(kāi)關(guān)，內(nèi)部預(yù)留電能表和采集器位置。標(biāo)準(zhǔn)款在基本款的基礎(chǔ)上，增加了過(guò)欠壓保護(hù)的功能。

1)自復(fù)式過(guò)欠壓保護(hù)器和隔離開(kāi)關(guān)的功能。當(dāng)線路中自復(fù)式過(guò)電壓和欠電壓超過(guò)規(guī)定值時(shí)，自復(fù)式過(guò)欠壓保護(hù)器可自動(dòng)斷開(kāi)，并能自動(dòng)檢測(cè)線路電壓；當(dāng)線路中電壓恢復(fù)正常時(shí)，其能自動(dòng)閉合，即實(shí)現(xiàn)“有電合閘、無(wú)電斷開(kāi)”的功能。該功能可減少運(yùn)維人員反復(fù)親臨現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行手動(dòng)合閘，且可與并網(wǎng)逆變器形成雙重保護(hù)。同時(shí)，在光伏側(cè)和市電側(cè)均加裝了隔離開(kāi)關(guān)，滿足Q/GDW 1480-2015《分布式電源接入電網(wǎng)技術(shù)規(guī)定》中規(guī)定的“分布式電源必須在并網(wǎng)點(diǎn)設(shè)置易于操作、可閉鎖、具有明顯斷開(kāi)點(diǎn)的并網(wǎng)斷開(kāi)裝置”這一要求，在檢修和維護(hù)的同時(shí)可保證人員的安全。

圖6 標(biāo)準(zhǔn)款光伏配電箱

2)自復(fù)式過(guò)欠壓保護(hù)器的選型。該類(lèi)保護(hù)器的主要參數(shù)包括額定電壓、額定電流、過(guò)電壓值、欠電壓值、保護(hù)動(dòng)作時(shí)間和延時(shí)接通時(shí)間等，選型時(shí)需進(jìn)行綜合考慮。

3)隔離開(kāi)關(guān)的選型。隔離開(kāi)關(guān)的主要參數(shù)包括額定電壓、額定電流、動(dòng)穩(wěn)定電流和熱穩(wěn)定電流。在選型時(shí)，各主要參數(shù)均需符合使用場(chǎng)合的要求。另外，額定電流標(biāo)準(zhǔn)值應(yīng)大于最大負(fù)載電流的150%。

3.4 高配款

高配款光伏配電箱的實(shí)物圖及原理圖如圖7所示[3]。此類(lèi)配電箱內(nèi)的配置包括斷路器、浪涌保護(hù)器、過(guò)欠壓保護(hù)器、刀閘和漏電保護(hù)開(kāi)關(guān)。高配款在標(biāo)準(zhǔn)款的基礎(chǔ)上，增加了漏電保護(hù)的功能。

1)漏電保護(hù)開(kāi)關(guān)的功能。在光伏發(fā)電系統(tǒng)出現(xiàn)漏電或有人觸電時(shí)，漏電保護(hù)開(kāi)關(guān)能在極短時(shí)間內(nèi)切斷電路，保護(hù)人員和設(shè)備的安全。

2)漏電保護(hù)開(kāi)關(guān)的選型。漏電保護(hù)開(kāi)關(guān)的主要參數(shù)包括額定漏電動(dòng)作電流、額定漏電動(dòng)作時(shí)間和額定漏電不動(dòng)作電流。由于光伏發(fā)電系統(tǒng)安裝在室外，組件對(duì)地會(huì)有少量漏電流，為防止漏電保護(hù)開(kāi)關(guān)頻繁跳開(kāi)，建議將漏電保護(hù)值設(shè)在50 mA及以上。

圖7 高配款光伏配電箱

4 光伏配電箱的發(fā)展趨勢(shì)

在目前的光伏發(fā)電系統(tǒng)中，僅逆變器側(cè)存在監(jiān)控模塊，承擔(dān)檢測(cè)組件、電網(wǎng)及線纜運(yùn)行狀態(tài)的功能。當(dāng)光伏發(fā)電系統(tǒng)出現(xiàn)故障信息時(shí)，難以精準(zhǔn)定位故障點(diǎn)。因此，在經(jīng)過(guò)大量的經(jīng)驗(yàn)積累和總結(jié)后得出結(jié)論，可在常規(guī)光伏配電箱內(nèi)部主回路中加裝智能導(dǎo)軌表，一方面，可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)配電箱內(nèi)部狀態(tài)，如電壓、電流、有功功率、頻率和溫度等；另一方面，可檢測(cè)電表箱內(nèi)漏電保護(hù)開(kāi)關(guān)、浪涌保護(hù)器、自動(dòng)重合閘等重要元器件的開(kāi)關(guān)狀態(tài)，并且可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)重合閘的遠(yuǎn)程控制功能；除此之外，智能導(dǎo)軌表還具備抄讀逆變器數(shù)據(jù)、存儲(chǔ)、停電上報(bào)和遠(yuǎn)程升級(jí)等重要功能。光伏智能配電箱可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)配電箱內(nèi)部狀態(tài)和電網(wǎng)質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)了故障分析、智能關(guān)斷和精準(zhǔn)發(fā)電量等一系列功能，是需要光伏技術(shù)人員持續(xù)研究和開(kāi)發(fā)的重要設(shè)備。

圖8 光伏智能配電箱

導(dǎo)軌表主要的邏輯控制功能包括：1)具有溫度檢測(cè)功能，運(yùn)用大數(shù)據(jù)的邏輯控制，達(dá)到過(guò)溫保護(hù)作用；2)具有電流、電壓、頻率檢測(cè)功能，運(yùn)用大數(shù)據(jù)的邏輯控制，達(dá)到異常告警作用；3)具有元器件運(yùn)行狀態(tài)檢測(cè)功能，可精準(zhǔn)判斷故障點(diǎn)及故障原因；4)RS485接口，外接逆變器，定時(shí)讀取逆變器相關(guān)參數(shù)，并連同導(dǎo)軌表采集的其他數(shù)據(jù)一并上傳至云端平臺(tái)。

5 光伏配電箱面臨的發(fā)展難題

依賴于國(guó)家政策的扶持和技術(shù)的進(jìn)步，雖然居民分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)現(xiàn)處于高速發(fā)展的階段，但是由于各地區(qū)標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一，對(duì)光伏配電箱也無(wú)統(tǒng)一的要求，于是出現(xiàn)了在不同城市有不同的要求，甚至同一城市不同電力局的要求也千差萬(wàn)別的情況，如此造成了大量的無(wú)用功和重復(fù)工作。所以，努力推進(jìn)光伏配電箱標(biāo)準(zhǔn)化的早日實(shí)現(xiàn)，也是光伏從業(yè)人員共同的責(zé)任和義務(wù)。

6 總結(jié)

配電箱是配電系統(tǒng)的末端裝置，作為光伏發(fā)電系統(tǒng)的核心組成之一，關(guān)系到整個(gè)電站的安全穩(wěn)定運(yùn)行。通過(guò)技術(shù)人員的不斷探索試驗(yàn)，光伏配電箱實(shí)現(xiàn)了越來(lái)越多的重要功能。技術(shù)人員對(duì)光伏配電箱的研究一直在進(jìn)行，相信必定會(huì)開(kāi)發(fā)出越來(lái)越多的可能性，使光伏發(fā)電系統(tǒng)更加安全和智能化。