高海拔光伏匯流箱應(yīng)用設(shè)計(jì)探討

晏鑫

（國家電投集團(tuán)山南電力有限公司，西藏 拉薩 850000）

高海拔區(qū)域太陽能資源豐富，而目前我國對(duì)于匯流箱制定的生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)相對(duì)較為寬泛，也沒有著重針對(duì)可靠性指標(biāo)作出強(qiáng)制性規(guī)定，這使得光伏匯流箱在高海拔區(qū)應(yīng)用期間涉及到特殊參數(shù)設(shè)計(jì)及設(shè)備選型問題。本文主要結(jié)合光伏匯流箱工作原理以及匯流箱應(yīng)用于高海拔區(qū)域內(nèi)主要涉及到的電氣件參數(shù)設(shè)定與選型方法等，同步測(cè)試儀器與試驗(yàn)進(jìn)行闡述，通過相關(guān)驗(yàn)證證明有關(guān)參數(shù)設(shè)計(jì)及選型能使光伏匯流箱在高海拔區(qū)域內(nèi)應(yīng)用，且具有良好的穩(wěn)定性和可靠性，可在匯流箱產(chǎn)品功能作用發(fā)揮下最大程度的發(fā)揮太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)運(yùn)行價(jià)值。

1 高海拔光伏匯流箱的組成與工作原理

光伏發(fā)電主要基于光生伏特效應(yīng)原理，在太陽能電池功能作用發(fā)揮下把太陽光轉(zhuǎn)化成電能。光伏發(fā)電系統(tǒng)主要組成部分有控制器、逆變器、匯流箱、太陽能電池板等。在光伏電池工作中，其陣列輸入主要依靠光伏匯流箱實(shí)現(xiàn)一級(jí)匯流，以此促使光電池陣列向逆變器當(dāng)中的接入連線可有效減少，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的全面優(yōu)化，增強(qiáng)系統(tǒng)可維護(hù)性與可靠性。本文所分析的光伏匯流箱是在海拔高度超過2000m 的區(qū)域內(nèi)應(yīng)用的產(chǎn)品，為保證設(shè)備可以在高海拔惡劣條件下正常、可靠的運(yùn)行，著重探究技術(shù)參數(shù)設(shè)計(jì)。

光伏匯流箱在光伏電站中的應(yīng)用，主要是作為逆變器和光伏陣列之間的連接，同時(shí)具備過流保護(hù)和防雷作用，還可對(duì)光伏陣列當(dāng)中的單串電流、斷路器、防雷器和電壓狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)當(dāng)中，為了使逆變器和電池陣列減少彼此連線，可將規(guī)格一致的一定數(shù)量個(gè)光伏電池進(jìn)行串聯(lián)，組建多個(gè)光伏串列，之后再以并聯(lián)形式將多個(gè)光伏串列向光伏匯流箱當(dāng)中接入。光伏匯流箱實(shí)現(xiàn)內(nèi)部匯流之后，可基于斷路器實(shí)現(xiàn)輸出，在此同時(shí)配套使用光伏逆變器，以完整的構(gòu)建成光伏發(fā)電系統(tǒng)，同步和電網(wǎng)并網(wǎng)。光伏匯流箱當(dāng)中還配置有光伏專用的斷路器、熔斷器和防雷器等，以便于用戶可準(zhǔn)確、及時(shí)的了解光伏電池實(shí)際工作情況，在確保匯流箱具備良好的實(shí)用性和可靠性基礎(chǔ)上，促使太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)最大程度的發(fā)揮系統(tǒng)功能效用。

2 高海拔光伏匯流箱技術(shù)參數(shù)

2.1 可靠性分析

以光伏匯流箱應(yīng)用可靠性為目標(biāo)進(jìn)行定量估計(jì)，主要涉及故障樹分析以及可靠性建模與預(yù)計(jì)。結(jié)合各項(xiàng)參數(shù)與信息，預(yù)計(jì)光伏匯流箱應(yīng)用中可靠性保持在99.763%。光伏匯流箱包含四大組成部分，分別是箱體、防雷器、斷路器、熔斷器。其中，防雷器、斷路器和熔斷器都執(zhí)行IEC 標(biāo)準(zhǔn)，并且在環(huán)境試驗(yàn)當(dāng)中經(jīng)過項(xiàng)目驗(yàn)證，判定其在可靠性方面預(yù)計(jì)質(zhì)量等級(jí)屬于6 級(jí)，具有2×10-6的失效率。

2.2 電氣參數(shù)

電氣參數(shù)設(shè)計(jì)主要涉及四方面：①海拔設(shè)計(jì)。因?yàn)楦吆０螀^(qū)域，其自然氣候條件也相對(duì)惡劣，區(qū)域內(nèi)空氣氣壓和密度都比較低，空氣絕對(duì)濕度相對(duì)較小，空氣溫度通常較低且溫差會(huì)有較大變化，當(dāng)?shù)卮箫L(fēng)日多，降水量少，土壤溫度偏低，且有很長的凍結(jié)期，但是太陽輻射強(qiáng)度會(huì)保持在較高水平。通常情況下，光伏匯流箱應(yīng)用區(qū)域海拔在2000m 及以下，其電氣元器件無需作出修正，若海拔在2000m 以上就要對(duì)相關(guān)參數(shù)進(jìn)行修正。在2000m海拔高度條件下，光伏匯流箱最小爬電距離是30mm，最小電氣間隙是20mm。在海拔高度4000m 條件下，則需按照高海拔電氣參數(shù)表相關(guān)修正系數(shù)將正常海拔高度下的爬電距離和電氣間隙數(shù)值乘上1.29。

在高海拔條件下，所用斷路器產(chǎn)品要適當(dāng)提升工頻耐壓水平和絕緣電阻，并適當(dāng)調(diào)整工作間距。①為了保證分段能力優(yōu)良，需注意所選斷路器要比正常短路分?jǐn)嗄芰?jí)別更高一級(jí)。由于高海拔條件下環(huán)境溫度會(huì)影響到斷路器的溫升和熱脫扣特性，因此要適當(dāng)對(duì)斷路器進(jìn)行降容。在高海拔區(qū)域內(nèi)，所選熔斷器在降容期間，降容系數(shù)需遵循公式：；②明確元器件的防護(hù)等級(jí)和相應(yīng)認(rèn)證資質(zhì)。在應(yīng)用光伏匯流箱期間，所應(yīng)用的隔離開關(guān)、防雷器、熔斷器、接線端子和各類其他元器件相應(yīng)IP 等級(jí)需大于或等于IP20.同時(shí)要保證具備CCCE 或TUV 有關(guān)認(rèn)證資格；③合理選用熔斷器。熔斷器在電力系統(tǒng)當(dāng)中主要是對(duì)電子器件發(fā)揮保護(hù)作用，使其免受電流危害。所選熔斷器若等級(jí)過大，將不能發(fā)揮保護(hù)功能，若等級(jí)過小，則不能正常工作，所以在選用熔斷器期間要基于光伏組件各項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)與額定等級(jí)進(jìn)行確定；④光伏匯流箱保持良好的絕緣耐壓性。光伏匯流箱應(yīng)用期間，其輸出對(duì)地、輸入對(duì)地、輸入對(duì)輸出所涉及到的絕緣電阻需大于或等于20MΩ，并且均應(yīng)承載1min 的AC3500V，50Hz 正弦交流電壓，漏電流要小于10mA，不出現(xiàn)飛狐與擊穿情況。

2.3 箱體要求

光伏匯流箱的箱體要選擇厚度在2mm 以上的鍍鋅鋼板，鋼板表面進(jìn)行靜電噴涂，整體屬全組裝結(jié)構(gòu)，外殼與框架具備高強(qiáng)度與高剛度，不僅要符合內(nèi)部元器件安裝需求，還要承載內(nèi)外電路短路時(shí)所產(chǎn)生的熱效應(yīng)和電動(dòng)力，也不會(huì)在設(shè)備運(yùn)輸、搬運(yùn)及吊裝期間因受到撞擊、冷凍、受潮等因素影響造成損壞或變形情況發(fā)生。箱體銅排要進(jìn)行鍍鎳處理，其余的金屬安裝附件要進(jìn)行鍍鋅處理，厚度在7m 以上，以確保具備美觀和防腐功能。箱體內(nèi)部的各部件均通過8.8 級(jí)螺絲進(jìn)行緊固連接，保證結(jié)構(gòu)可靠與安全，同時(shí)要通過內(nèi)部燃弧試驗(yàn)和抗震試驗(yàn)。箱體選擇封閉式結(jié)構(gòu)，并且防護(hù)等級(jí)要在IP65。箱門外觀要整潔，開啟方便與靈活，接地裝置要有效期、齊全，箱內(nèi)元件安裝設(shè)計(jì)都要注意好拆裝、好維護(hù)，并且設(shè)備需要具備接地標(biāo)識(shí)和接地螺栓。光伏匯流箱在高海拔區(qū)域應(yīng)用，要注意使元器件外爬距適當(dāng)加大，同步注重選擇EPTFE 膜進(jìn)行高透氣防水透氣閥的設(shè)計(jì)，使箱體內(nèi)外保持良好的空氣流動(dòng)性。防水透氣閥要注重具備單向流通特性，以防外部雨水及凝露進(jìn)入箱內(nèi)。因?yàn)楣夥鼌R流箱的電纜接頭在箱體外部裸露，為減少惡劣環(huán)境對(duì)其產(chǎn)生的影響，要注重所選電纜接頭經(jīng)過IP68 認(rèn)證和防UV老化測(cè)試，具有優(yōu)良的耐溫性。

3 測(cè)試與試驗(yàn)

高海拔區(qū)域所應(yīng)用的光伏匯流箱屬于直流匯流箱，所以要通過直流電流對(duì)光伏匯流箱進(jìn)行通電試驗(yàn)。在試驗(yàn)期間，光伏匯流箱所有電路均通電，相應(yīng)直流電源保持在200～900VDC，

主要測(cè)試合分閘按鈕、供電開關(guān)、調(diào)壓旋鈕等。在約200VDC 時(shí)，將正極固定端與負(fù)極測(cè)試端都接入到匯流箱當(dāng)中。另外，要通過負(fù)載箱對(duì)匯流箱實(shí)際工作環(huán)境進(jìn)行模擬，負(fù)載設(shè)定為電阻，保持負(fù)載接線端和匯流箱之間的有效連接。在匯流箱當(dāng)中，電流檢測(cè)模塊主要通過458 通訊線實(shí)現(xiàn)通訊功能，端子其中一頭連接到通訊軟件中，另一頭選用RS485 通訊線和匯流箱建立連接。

光伏匯流箱在高海拔區(qū)域應(yīng)用，要進(jìn)行溫升試驗(yàn)，并對(duì)箱體防護(hù)等級(jí)進(jìn)行測(cè)試。溫升與光伏匯流箱實(shí)際壽命直接相關(guān)，同時(shí)還會(huì)對(duì)匯流箱運(yùn)行安全性產(chǎn)生影響，所以要對(duì)匯流箱開展溫升試驗(yàn)，保證箱內(nèi)元件溫升在標(biāo)準(zhǔn)允許溫升范圍內(nèi)；對(duì)箱體進(jìn)行防護(hù)等級(jí)測(cè)試中，主要開展的是IP65 噴水試驗(yàn)，經(jīng)過試驗(yàn)證明匯流箱箱體符合IP65 防護(hù)等級(jí)要求。

經(jīng)過測(cè)試和實(shí)驗(yàn)，證明光伏匯流箱箱體的可靠性能超過99.5%；與海拔4000m 相關(guān)爬電距離與電氣間隙設(shè)計(jì)要求相符；氣候溫度條件在-30～50℃區(qū)間內(nèi)，箱體均可實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定、安全的運(yùn)行；箱體具有良好的防腐蝕、抗紫外線、耐高溫性能；光伏專用防雷器的正極與負(fù)極都具有防雷功能；專用斷路器符合直流耐壓值；箱體外殼符合IP65 防護(hù)等級(jí)要求，可在室外安裝使用。

4 結(jié)語

高海拔地區(qū)太陽能資源豐富，在相應(yīng)區(qū)域建設(shè)光伏發(fā)電現(xiàn)場，容易受到惡劣環(huán)境的負(fù)面影響。光伏發(fā)電箱是光伏發(fā)電系統(tǒng)重要組成部分，為保證光伏匯流箱在高海拔地區(qū)能夠安全、可靠的運(yùn)行，要注重在高海拔條件下合理設(shè)計(jì)光伏匯流箱各項(xiàng)參數(shù)，并恰當(dāng)?shù)倪x擇熔斷器、斷路器等，保證光伏匯流箱使用可靠與穩(wěn)定。