主動安全，才是王道

 

　　碳中和大勢下，光伏必將快速發展；與此同時，隨著組件電流提升、逆變器或匯流箱容量不斷增加，以及“光伏+”的應用場景復雜多樣化，電站安全的問題已經越來越突出。

 

　　然而由于光伏電池板短路容量小的固有特性，傳統的配電保護器件在光伏系統中無法可靠保護系統安全。讓人欣慰的是這一突出問題近期已經得到華為、陽光、鑒衡以及部分大型發電集團等頭部企業高度關注，并給出了相應的較好的解決方案。

 

　　但是近期有文章討論智能組串分斷技術，其中對智能組串分斷的概念、技術以及標準的理解都存在偏差甚至錯誤的地方，在這里筆者結合行業的標準、實際應用、行業專家意見及幾十年經驗積累，從客觀角度詳細分析有關這幾類保護技術，以供參考，歡迎行業同仁一起探討交流。

 

　　文丨過孝剛

 

 

　　經過筆者了解，“智能組串分斷“技術采用的是斷路器過流保護技術，其符合IEC60947.2和GB14048.2標準，不是某些文章中所錯誤理解的隔離開關。(備注：隔離開關的標準為IEC60947.3和GB14048.3，可以實現負載的接通分斷與隔離，沒有過電流保護功能；而斷路器可以實現負載的分斷與隔離及其回路過電流的保護）。該系統的過電流檢測和控制裝置采用的是更為先進的“電子式脫扣器”，不是傳統的熱磁式脫扣器。“電子式脫扣器”已有幾十年的歷史， 廣泛應用于萬能式斷路器、高端的塑殼斷路器及其中高壓斷路器中，這些產品對可靠性具有更高的要求。“智能組串分斷”技術的創新性在于將用于高端產品的具有“電子脫扣器”的斷路器引入到光伏組串的反灌保護和光伏逆變器的內部故障保護中，大大提升了可靠性，解決了行業的痛點。

 

　　二、 具有“電子式脫扣器”的斷路器技術更靈活可靠， 已在行業中廣泛使用

 

　　電子式斷路器具有檢測精度高、可靠性高、智能化等優勢，在光伏行業、配電行業廣泛使用，相比熔絲和熱磁式斷路器，在比較復雜的自然環境下，是一種更可靠的保護裝置。

 

　　2.1 熱磁式和電子式斷路器對比分析

 

　　2.1.1  熱磁式斷路器的保護原理

 

 

圖一：熱磁式斷路器內部原理圖

 

　　以一個熱磁式斷路器來說，圖一中“熱脫扣器”一般采用雙金屬片設計，熱雙金屬是由兩種或兩種以上不同膨脹系數的金屬或合金沿整個接觸面牢固復合在一起，是具有隨溫度變化而發生形狀變化的復合功能材料。當回路電流發生過負荷時（一般是額定電流的1.45——5倍），因為電流增大，導致雙金屬片的溫度升高，此時雙金屬片發生變形，觸發相鄰的分閘機構動作，斷路器動靜觸頭打開，完成分閘。這種“熱脫扣器”結構簡單，價格便宜。但也有其自身的缺點，觸發其動作不光與回路的電流有關，也與周圍的環境溫度有關。以一個32A的斷路器來說，其額定電流通常是在25度的環境溫度下設定，如果環境溫度為70度，此時額定的電流可能只有20A左右；如果環境溫度降低到-40度，此時額定電流的電流又會提高到40A左右。如果該斷路器工作于在一個年溫度變化很大的地方，其額定電流是很難整定的，存在誤動或者不動的可能。

 

　　上圖中的“磁脫扣器”，采用螺旋管式設計，當短路電流流過時，變化的電流產生磁場，驅動動鐵芯運動，觸發分閘機構，斷路器完成分閘。磁脫扣器結構簡單，被大量用于終端配電的斷路器。但基于其結構，其也有如下缺點：在要求具有短路耐受的場合（標準中定義的“B”類斷路器， 通常在配電的上級，靠近變壓器出口端），是比較難采用該脫扣器的，另外受制于電磁鐵的設計，該脫扣器的最小脫扣電流一般為額定電流的3——5倍。

 

　　2.1.2 電子式斷路器保護原理

 

　　電子式斷路器應用普遍，在各種配電和光伏應用場景，均會采用電子式脫扣器，且完全符合IEC 60947.2標準。其原理如下圖所示：

 

 

圖二：電子脫扣器原理框圖

 

　　當電流檢測單元檢測到電流互感器的電流超過預設值時， 將相關信號送給控制器， 控制器給“彈簧/電磁機構”驅動信號，分閘電磁鐵驅動彈簧操作機構動作，從而控制斷路器分閘。從“電子脫扣器”的原理可以看出，其檢測準確度，易于實現低壓電器的“數字化”，符合低壓電器數字化、智能化的趨勢。但電子脫扣器對設計、制造的水平要求也非常高， 業界大的電氣公司通常采用自主研發的模式來控制產品的可靠性和質量。

 

　　2.1.3 電子式、熱磁式斷路器對比

表一 電子式、熱磁式斷路器對比

 

　　2.2 光伏場景中典型的電子式斷路器使用舉例及分析

 

　　以行業某主流集中式逆變器宣傳DataSheet中的電氣框圖舉例分析，其交流斷路器，直流開關均采用具有“電子脫扣器”的框架式斷路器或者開關。

 

　　舉例：當逆變器內部出現電壓、電流異常需要保護，或者電網異常等需要逆變器與電網脫離時，所有的電網脫網的動作都是通過DSP控制交流斷路器斷開；特別的，針對逆變器直流母線短路故障時，需要同時通知交流斷路器斷開、直流開關斷開。

 

 

圖三 行業某主流集中式逆變器電氣圖

 

　　進一步的以該集中式集成一體化方案舉例分析，該逆變器對外的DataSheet中的電氣框圖包括直流輸入保護、逆變器輸出保護和中壓保護。其在輸出和中壓保護中均使用電子脫扣器開關。

 

　　A）逆變器輸出保護：其檢測電路全部由逆變器內部的電流采樣、電壓采樣實現，當DSP發現內部故障后發送信號給到AC Breaker，通過AC Breaker脫網保護；

 

　　B）中壓輸出保護：由中壓環網柜內的電流傳感器進行電流采樣，送到中壓綜保裝置進行電流信號分析處理，當綜保檢測到故障時發送指令到中壓Circuit Breaker進行跳閘保護。

 

 

圖四  集中式保護電路中采用電子斷路器

 

　　從上面集中式的保護電路及原理分析看，電子式斷路器（傳感器+DSP+斷路執行）廣泛的使用在逆變器的總輸出保護、中壓保護等系統中。

 

　　三、具有“電子脫扣器”斷路器更適合光伏組串的保護， 保護更可靠

 

　　直流側的安全保護手段，傳統采用熔絲或普通直流開關等方案具有先天不足的問題；目前常規手段無法有效解決。交流側保護當前已經十分成熟，光伏直流側保護應進一步加強。交流側短路時，短路電流來源于電網，短路電流高達幾十kA，斷路器能夠可靠、快速地分斷保護；然而光伏直流側短路電流來自于組件，一般最大僅為組件峰值電流的1.1倍，在光照不足的時候其短路電流甚至無法達到額定電流；由于而熔絲和普通斷路器可靠分斷都需要較大的短路電流，所以其不能快速分斷短路能量，大量的能量在短路點集聚，極易導致起火風險。

 

　　對于光伏直流側的防護器件，下表對比傳統的熔斷器、 熱磁式斷路器以及“電子式脫扣器”的斷路器各方面的性能：

 

 

表二   各類型斷路器、熔斷器對比

 

　　從上表的對比明顯可以看出，“電子式脫扣器”的斷路器，無論從保護范圍，溫度適用性，長期可靠性，功耗方面都具有較大優勢，因此對于光伏直流側的保護，其才是最合適的器件。

 

　　四、只有智能關斷，才能實現主動安全

 

　　基于可控的帶有自動脫扣裝置的直流分斷開關和數字化的組串級監控，行業提出智能組串分斷概念。它具有：檢測精度高，響應一致性好，響應及時等特點。

 

　　借助于逆變器的組串級檢測和控制系統，結合直流分斷開關，整個系統滿足IEC 60947-2對于斷路器（circuit breaker）的認證標準。整個系統滿足IEC 62548 7.3.4對于過電流保護的基本理念和要求，多維度保護電站中直流電氣安全。

 

　　智能直流關斷功能的核心是：具有自動分斷能力的直流斷路器、組串級檢測功能的逆變器，如圖所示。

 

 

圖五  組串式智能直流關斷檢測原理示意圖

 

　　其工作原理是：逆變器對組串電流、母線電壓進行實時監測，遭遇異常情況時，如組件反灌、內部短路等，逆變器將發生組串電流將超出設定閾值、或內部開關電路功能異常等不故障現象。通過數字化技術，軟件主動將“分閘信號”傳遞給直流開關；直流開關跳脫后可以有效斷開直流電流能量，避免光伏組件直流能量引起逆變器內部的故障擴展。在極端失效模式下，如逆變器內部短路時，直流分斷功能會進一步提高系統安全性。組件功率越大，輸入串數越多，短路電流越大，直流分斷功能的價值越大。

 

　　與傳統熔絲方案相比，智能直流分斷無需頻繁更換，檢測故障及時保護。同時，電子式監控可以有效阻止在直流母線短路、設備內部短路故障時直流組件能量向母線短路點/設備內部的持續能量注入，避免故障擴散、極大的降低火災的發生概率，且具有檢測精度好、保護一致性好，響應及時受控。

 

 

　　智能關斷技術真正的價值在于實現了從被動安全到主動安全。通過技術創新，牢牢構筑電站安全基石；防患于未然，才是真安全，我們呼吁行業更多廠家盡快推出相應的分斷產品和解決方案，一起為光伏電站保駕護航。

 

　　（作者簡介：過孝剛，配電領域資深技術專家，現任大全集團凱帆電器技術顧問，曾就職于上海人民電器，負責配電相關技術工作，具有30多年的配電行業從業經驗。）