1 引言

熔斷器作為一種過(guò)電流保護(hù)器件，串聯(lián)在電路中，可在系統(tǒng)出現(xiàn)短路故障時(shí)及時(shí)切斷故障回路，保障系統(tǒng)安全，因此廣泛應(yīng)用于各種電氣系統(tǒng)中，光伏系統(tǒng)直流側(cè)保護(hù)也不例外。光伏系統(tǒng)直流側(cè)一般由多個(gè)組串并聯(lián)，無(wú)論是集中式還是組串式逆變器方案，使用熔斷器作為直流側(cè)過(guò)流保護(hù)已是行業(yè)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)解決方案。近年來(lái)，部分廠家提出對(duì)于每路MPPT中僅有兩路組串并聯(lián)的組串式逆變器，直流側(cè)不需要熔斷器保護(hù)的觀點(diǎn)。筆者通過(guò)對(duì)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)深入分析和IEC標(biāo)準(zhǔn)研究發(fā)現(xiàn)，該系統(tǒng)中如果沒(méi)有熔斷器等過(guò)流保護(hù)器件存在巨大的安全隱患，也不符合IEC62548《光伏陣列設(shè)計(jì)要求》。

2 兩組串并聯(lián)系統(tǒng)無(wú)熔斷器保護(hù)的風(fēng)險(xiǎn)分析

2.1 兩組串并聯(lián)系統(tǒng)等效電路

兩組串并聯(lián)系統(tǒng)等效電路如圖1(a)所示，系統(tǒng)由多路MPPT輸入回路組成，每路MPPT接兩路組串，各光伏組串通過(guò)Boost升壓電路后并聯(lián)在一起，前級(jí)Boost升壓電路一般都并聯(lián)旁路元件，目的是當(dāng)電壓升高后將Boost升壓電路旁路，提高系統(tǒng)的效率。



圖1 兩組串并聯(lián)系統(tǒng)等效電路

當(dāng)Boost升壓電路工作時(shí)，Boost升壓電路在串聯(lián)回路中可等效為一個(gè)電感和二極管，如圖1(b)所示。當(dāng)Boost升壓電路不工作時(shí)，電流將流過(guò)旁路元件，如圖1(c)所示。當(dāng)僅僅分析電路反向電流阻擋特性時(shí)，無(wú)論Boost升壓電路工作還是不工作，電路都可簡(jiǎn)化等效成如圖1(d)所示的等效電路，即光伏組串與逆變器直流母線之間等效為二極管連接。

針對(duì)圖1所示的逆變系統(tǒng)，部分廠家提出由于每路MPPT中僅有兩路組串并聯(lián)，即使其中一個(gè)組串發(fā)生短路，短路電流僅僅在兩個(gè)組串之間流動(dòng)，其他組串和直流側(cè)能量由二極管反向阻斷，不會(huì)對(duì)組件造成損壞，因此直流側(cè)不需要熔斷器保護(hù)。然而筆者通過(guò)分析發(fā)現(xiàn)，該系統(tǒng)中如果沒(méi)有熔斷器等過(guò)流保護(hù)器件存在巨大的安全隱患，也不符合IEC62548要求。

2.2 風(fēng)險(xiǎn)1：短路點(diǎn)出現(xiàn)拉弧時(shí)，增大火災(zāi)隱患

對(duì)于1000V光伏直流系統(tǒng)，當(dāng)直流側(cè)由于絕緣破損、接頭松動(dòng)等短路現(xiàn)象時(shí)，如果沒(méi)有熔斷器及時(shí)切斷故障回路，將持續(xù)產(chǎn)生拉弧，電弧在空氣中自由燃弧時(shí)電流可達(dá)200A以上[1]，增大了火災(zāi)發(fā)生的隱患，甚至可能超過(guò)組件和線纜的耐受能力，引起組件和線纜損壞。



2.3 風(fēng)險(xiǎn)2：某些過(guò)載工況下下存在安全隱患

NEC690標(biāo)準(zhǔn)[2]中提到了兩種過(guò)載情況，一種情況是在某種云覆蓋的條件下，云就相當(dāng)于放大鏡，并把陽(yáng)光聚焦在光伏陣列上，光照強(qiáng)度比全日照時(shí)最多可高出25%，即直流輸入在ISC上增加了25%的電流，另一種情況是基于最大光伏電流是連續(xù)流動(dòng)的假設(shè)，在連續(xù)運(yùn)行條件下，直流輸入須額外增加25%。因此，最終結(jié)果是，對(duì)于任何光伏源支路或者匯集單條源支路電流的光伏輸出電路，電路的載流容量大于125%ISC的125%，即相乘得出ISC的156%。對(duì)于高溫的屋頂光伏電站，環(huán)境溫度達(dá)到60℃時(shí)，導(dǎo)線的降容因子為0.41，即直流導(dǎo)線載流能力大大減小，如果發(fā)生短路并持續(xù)一段時(shí)間，而又無(wú)熔斷器等過(guò)流保護(hù)器件來(lái)斷開(kāi)故障回路，將導(dǎo)致線纜燃燒的風(fēng)險(xiǎn)加大，引發(fā)火災(zāi)。

2.4 風(fēng)險(xiǎn)3：二極管作為保護(hù)器件不符合標(biāo)準(zhǔn)要求

二極管的失效模式一般是短路狀態(tài)，根據(jù)圖1(d)所示的兩組串并聯(lián)系統(tǒng)等效電路不難發(fā)現(xiàn)，在某路MPPT的二極管損壞情況下，該路MPPT的組串相當(dāng)于與其余4路組串直接并聯(lián)，即組串并聯(lián)數(shù)量變成6串，根據(jù)IEC62548《光伏陣列設(shè)計(jì)要求》[3]內(nèi)給出的判斷公式，一般情況下ISC-MOD在9A左右，IMOD-MAX-OCPR等于15A，因此，當(dāng)SA=6時(shí)判斷公式為(6－1)×9＞15成立，需配置過(guò)流保護(hù)器件。過(guò)流保護(hù)器件可以采用斷路器或熔斷器，目前主流逆變器廠家通常采用熔斷器作為過(guò)流保護(hù)器件。

注：SA代表組串并聯(lián)數(shù)量，ISC-MOD代表光伏組件短路電流，IMOD-MAX-OCPR代表光伏組件最大過(guò)電流保護(hù)額定值。



如果沒(méi)有熔斷器等過(guò)流保護(hù)器件，當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生短路故障時(shí)根本無(wú)法阻止其他組串的能量以及逆變器直流母線和電網(wǎng)能量流向短路點(diǎn)，可能造成組件和線纜的損壞，甚至引起火災(zāi)。如圖2所示。



圖2 兩組串并聯(lián)系統(tǒng)發(fā)生短路時(shí)的電流流向

IEC62548中也做了明確規(guī)定：“由于二極管的失效模式一般呈短路狀態(tài)，在某些國(guó)家二極管不能用于過(guò)電流保護(hù)”?？梢?jiàn)，二極管作為保護(hù)器件是不符合標(biāo)準(zhǔn)要求，二極管無(wú)法替代熔斷器等過(guò)流保護(hù)器件。



3 結(jié)論

對(duì)于每路MPPT中僅有兩路組串并聯(lián)的組串式逆變器，如果直流側(cè)沒(méi)有熔斷器等保護(hù)器件，當(dāng)短路點(diǎn)出現(xiàn)拉弧或在某些特殊環(huán)境條件下，可能會(huì)造成組件和線纜損壞，甚至引起火災(zāi)。同時(shí)IEC62548中也明確指出：二極管失效模式為短路狀態(tài)，在某些國(guó)家二極管不能用于過(guò)電流保護(hù)?；诙O管反向阻斷原理的保護(hù)方式，不符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的要求。

因此，對(duì)于每路MPPT中僅有兩路組串并聯(lián)的組串式逆變器，直流側(cè)輸入端仍需使用熔斷器等過(guò)流保護(hù)器件，否則系統(tǒng)將存在巨大的安全隱患。

參考文獻(xiàn)：

[1] 賀湘琰，李靖．電器學(xué)[M]．北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2012．

[2] Roger A.Messenger，Jerry Ventre．Photovoltaic Systems Engineering[M]．

[3] IEC/TS 62548-2013，Photovoltaic(PV) arrays – Design requirements[S]．