碳中和大勢(shì)下，光伏必將快速發(fā)展；與此同時(shí)，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(yīng)用場(chǎng)景復(fù)雜多樣化，電站安全的問(wèn)題已經(jīng)越來(lái)越突出。
然而由于光伏電池板短路容量小的固有特性，傳統(tǒng)的配電保護(hù)器件在光伏系統(tǒng)中無(wú)法可靠保護(hù)系統(tǒng)安全。讓人欣慰的是這一突出問(wèn)題近期已經(jīng)得到華為、陽(yáng)光、鑒衡以及部分大型發(fā)電集團(tuán)等頭部企業(yè)高度關(guān)注，并給出了相應(yīng)的較好的解決方案。
但是近期有文章討論智能組串分?jǐn)嗉夹g(shù)，其中對(duì)智能組串分?jǐn)嗟母拍?、技術(shù)以及標(biāo)準(zhǔn)的理解都存在偏差甚至錯(cuò)誤的地方，在這里筆者結(jié)合行業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)、實(shí)際應(yīng)用、行業(yè)專家意見(jiàn)及幾十年經(jīng)驗(yàn)積累，從客觀角度詳細(xì)分析有關(guān)這幾類保護(hù)技術(shù)，以供參考，歡迎行業(yè)同仁一起探討交流。
文丨過(guò)孝剛
一、“智能組串分?jǐn)?ldquo;本質(zhì)上是通過(guò)斷路器技術(shù)實(shí)現(xiàn)過(guò)流保護(hù)
經(jīng)過(guò)筆者了解，“智能組串分?jǐn)?ldquo;技術(shù)采用的是斷路器過(guò)流保護(hù)技術(shù)，其符合IEC60947.2和GB14048.2標(biāo)準(zhǔn)，不是某些文章中所錯(cuò)誤理解的隔離開(kāi)關(guān)。(備注：隔離開(kāi)關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)為IEC60947.3和GB14048.3，可以實(shí)現(xiàn)負(fù)載的接通分?jǐn)嗯c隔離，沒(méi)有過(guò)電流保護(hù)功能；而斷路器可以實(shí)現(xiàn)負(fù)載的分?jǐn)嗯c隔離及其回路過(guò)電流的保護(hù)）。該系統(tǒng)的過(guò)電流檢測(cè)和控制裝置采用的是更為先進(jìn)的“電子式脫扣器”，不是傳統(tǒng)的熱磁式脫扣器。“電子式脫扣器”已有幾十年的歷史， 廣泛應(yīng)用于萬(wàn)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(chǎn)品對(duì)可靠性具有更高的要求。“智能組串分?jǐn)?rdquo;技術(shù)的創(chuàng)新性在于將用于高端產(chǎn)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(hù)和光伏逆變器的內(nèi)部故障保護(hù)中，大大提升了可靠性，解決了行業(yè)的痛點(diǎn)。
二、 具有“電子式脫扣器”的斷路器技術(shù)更靈活可靠， 已在行業(yè)中廣泛使用
電子式斷路器具有檢測(cè)精度高、可靠性高、智能化等優(yōu)勢(shì)，在光伏行業(yè)、配電行業(yè)廣泛使用，相比熔絲和熱磁式斷路器，在比較復(fù)雜的自然環(huán)境下，是一種更可靠的保護(hù)裝置。
2.1 熱磁式和電子式斷路器對(duì)比分析
2.1.1 熱磁式斷路器的保護(hù)原理
圖一：熱磁式斷路器內(nèi)部原理圖
以一個(gè)熱磁式斷路器來(lái)說(shuō)，圖一中“熱脫扣器”一般采用雙金屬片設(shè)計(jì)，熱雙金屬是由兩種或兩種以上不同膨脹系數(shù)的金屬或合金沿整個(gè)接觸面牢固復(fù)合在一起，是具有隨溫度變化而發(fā)生形狀變化的復(fù)合功能材料。當(dāng)回路電流發(fā)生過(guò)負(fù)荷時(shí)（一般是額定電流的1.45~5倍），因?yàn)殡娏髟龃?，?dǎo)致雙金屬片的溫度升高，此時(shí)雙金屬片發(fā)生變形，觸發(fā)相鄰的分閘機(jī)構(gòu)動(dòng)作，斷路器動(dòng)靜觸頭打開(kāi)，完成分閘。這種“熱脫扣器”結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，價(jià)格便宜。但也有其自身的缺點(diǎn)，觸發(fā)其動(dòng)作不光與回路的電流有關(guān)，也與周?chē)沫h(huán)境溫度有關(guān)。以一個(gè)32A的斷路器來(lái)說(shuō)，其額定電流通常是在25度的環(huán)境溫度下設(shè)定，如果環(huán)境溫度為70度，此時(shí)額定的電流可能只有20A左右；如果環(huán)境溫度降低到-40度，此時(shí)額定電流的電流又會(huì)提高到40A左右。如果該斷路器工作于在一個(gè)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(dòng)或者不動(dòng)的可能。
上圖中的“磁脫扣器”，采用螺旋管式設(shè)計(jì)，當(dāng)短路電流流過(guò)時(shí)，變化的電流產(chǎn)生磁場(chǎng)，驅(qū)動(dòng)動(dòng)鐵芯運(yùn)動(dòng)，觸發(fā)分閘機(jī)構(gòu)，斷路器完成分閘。磁脫扣器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，被大量用于終端配電的斷路器。但基于其結(jié)構(gòu)，其也有如下缺點(diǎn)：在要求具有短路耐受的場(chǎng)合（標(biāo)準(zhǔn)中定義的“B”類斷路器， 通常在配電的上級(jí)，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(shè)計(jì)，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(hù)原理
電子式斷路器應(yīng)用普遍，在各種配電和光伏應(yīng)用場(chǎng)景，均會(huì)采用電子式脫扣器，且完全符合IEC 60947.2標(biāo)準(zhǔn)。其原理如下圖所示：
圖二：電子脫扣器原理框圖
當(dāng)電流檢測(cè)單元檢測(cè)到電流互感器的電流超過(guò)預(yù)設(shè)值時(shí)， 將相關(guān)信號(hào)送給控制器， 控制器給“彈簧/電磁機(jī)構(gòu)”驅(qū)動(dòng)信號(hào)，分閘電磁鐵驅(qū)動(dòng)彈簧操作機(jī)構(gòu)動(dòng)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(cè)準(zhǔn)確度，易于實(shí)現(xiàn)低壓電器的“數(shù)字化”，符合低壓電器數(shù)字化、智能化的趨勢(shì)。但電子脫扣器對(duì)設(shè)計(jì)、制造的水平要求也非常高， 業(yè)界大的電氣公司通常采用自主研發(fā)的模式來(lái)控制產(chǎn)品的可靠性和質(zhì)量。
2.1.3 電子式、熱磁式斷路器對(duì)比
表一 電子式、熱磁式斷路器對(duì)比
2.2 光伏場(chǎng)景中典型的電子式斷路器使用舉例及分析
以行業(yè)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(kāi)關(guān)均采用具有“電子脫扣器”的框架式斷路器或者開(kāi)關(guān)。
舉例：當(dāng)逆變器內(nèi)部出現(xiàn)電壓、電流異常需要保護(hù)，或者電網(wǎng)異常等需要逆變器與電網(wǎng)脫離時(shí)，所有的電網(wǎng)脫網(wǎng)的動(dòng)作都是通過(guò)DSP控制交流斷路器斷開(kāi)；特別的，針對(duì)逆變器直流母線短路故障時(shí)，需要同時(shí)通知交流斷路器斷開(kāi)、直流開(kāi)關(guān)斷開(kāi)。
圖三行業(yè)某主流集中式逆變器電氣圖
進(jìn)一步的以該集中式集成一體化方案舉例分析，該逆變器對(duì)外的DataSheet中的電氣框圖包括直流輸入保護(hù)、逆變器輸出保護(hù)和中壓保護(hù)。其在輸出和中壓保護(hù)中均使用電子脫扣器開(kāi)關(guān)。
A）逆變器輸出保護(hù)：其檢測(cè)電路全部由逆變器內(nèi)部的電流采樣、電壓采樣實(shí)現(xiàn)，當(dāng)DSP發(fā)現(xiàn)內(nèi)部故障后發(fā)送信號(hào)給到AC Breaker，通過(guò)AC Breaker脫網(wǎng)保護(hù)；
B）中壓輸出保護(hù)：由中壓環(huán)網(wǎng)柜內(nèi)的電流傳感器進(jìn)行電流采樣，送到中壓綜保裝置進(jìn)行電流信號(hào)分析處理，當(dāng)綜保檢測(cè)到故障時(shí)發(fā)送指令到中壓Circuit Breaker進(jìn)行跳閘保護(hù)。
圖四集中式保護(hù)電路中采用電子斷路器
從上面集中式的保護(hù)電路及原理分析看，電子式斷路器（傳感器+DSP+斷路執(zhí)行）廣泛的使用在逆變器的總輸出保護(hù)、中壓保護(hù)等系統(tǒng)中。
三、具有“電子脫扣器”斷路器更適合光伏組串的保護(hù)， 保護(hù)更可靠
直流側(cè)的安全保護(hù)手段，傳統(tǒng)采用熔絲或普通直流開(kāi)關(guān)等方案具有先天不足的問(wèn)題；目前常規(guī)手段無(wú)法有效解決。交流側(cè)保護(hù)當(dāng)前已經(jīng)十分成熟，光伏直流側(cè)保護(hù)應(yīng)進(jìn)一步加強(qiáng)。交流側(cè)短路時(shí)，短路電流來(lái)源于電網(wǎng)，短路電流高達(dá)幾十kA，斷路器能夠可靠、快速地分?jǐn)啾Ｗo(hù)；然而光伏直流側(cè)短路電流來(lái)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(shí)候其短路電流甚至無(wú)法達(dá)到額定電流；由于而熔絲和普通斷路器可靠分?jǐn)喽夹枰^大的短路電流，所以其不能快速分?jǐn)喽搪纺芰?，大量的能量在短路點(diǎn)集聚，極易導(dǎo)致起火風(fēng)險(xiǎn)。
對(duì)于光伏直流側(cè)的防護(hù)器件，下表對(duì)比傳統(tǒng)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(duì)比
從上表的對(duì)比明顯可以看出，“電子式脫扣器”的斷路器，無(wú)論從保護(hù)范圍，溫度適用性，長(zhǎng)期可靠性，功耗方面都具有較大優(yōu)勢(shì)，因此對(duì)于光伏直流側(cè)的保護(hù)，其才是最合適的器件。
四、只有智能關(guān)斷，才能實(shí)現(xiàn)主動(dòng)安全
基于可控的帶有自動(dòng)脫扣裝置的直流分?jǐn)嚅_(kāi)關(guān)和數(shù)字化的組串級(jí)監(jiān)控，行業(yè)提出智能組串分?jǐn)喔拍?。它具有：檢測(cè)精度高，響應(yīng)一致性好，響應(yīng)及時(shí)等特點(diǎn)。
借助于逆變器的組串級(jí)檢測(cè)和控制系統(tǒng)，結(jié)合直流分?jǐn)嚅_(kāi)關(guān)，整個(gè)系統(tǒng)滿足IEC 60947-2對(duì)于斷路器（circuit breaker）的認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)。整個(gè)系統(tǒng)滿足IEC 62548 7.3.4對(duì)于過(guò)電流保護(hù)的基本理念和要求，多維度保護(hù)電站中直流電氣安全。
智能直流關(guān)斷功能的核心是：具有自動(dòng)分?jǐn)嗄芰Φ闹绷鲾嗦菲鳌⒔M串級(jí)檢測(cè)功能的逆變器，如圖所示。
圖五 組串式智能直流關(guān)斷檢測(cè)原理示意圖
其工作原理是：逆變器對(duì)組串電流、母線電壓進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，遭遇異常情況時(shí)，如組件反灌、內(nèi)部短路等，逆變器將發(fā)生組串電流將超出設(shè)定閾值、或內(nèi)部開(kāi)關(guān)電路功能異常等不故障現(xiàn)象。通過(guò)數(shù)字化技術(shù)，軟件主動(dòng)將“分閘信號(hào)”傳遞給直流開(kāi)關(guān)；直流開(kāi)關(guān)跳脫后可以有效斷開(kāi)直流電流能量，避免光伏組件直流能量引起逆變器內(nèi)部的故障擴(kuò)展。在極端失效模式下，如逆變器內(nèi)部短路時(shí)，直流分?jǐn)喙δ軙?huì)進(jìn)一步提高系統(tǒng)安全性。組件功率越大，輸入串?dāng)?shù)越多，短路電流越大，直流分?jǐn)喙δ艿膬r(jià)值越大。
與傳統(tǒng)熔絲方案相比，智能直流分?jǐn)酂o(wú)需頻繁更換，檢測(cè)故障及時(shí)保護(hù)。同時(shí)，電子式監(jiān)控可以有效阻止在直流母線短路、設(shè)備內(nèi)部短路故障時(shí)直流組件能量向母線短路點(diǎn)/設(shè)備內(nèi)部的持續(xù)能量注入，避免故障擴(kuò)散、極大的降低火災(zāi)的發(fā)生概率，且具有檢測(cè)精度好、保護(hù)一致性好，響應(yīng)及時(shí)受控。
五、被動(dòng)安全到主動(dòng)安全
智能關(guān)斷技術(shù)真正的價(jià)值在于實(shí)現(xiàn)了從被動(dòng)安全到主動(dòng)安全。通過(guò)技術(shù)創(chuàng)新，牢牢構(gòu)筑電站安全基石；防患于未然，才是真安全，我們呼吁行業(yè)更多廠家盡快推出相應(yīng)的分?jǐn)喈a(chǎn)品和解決方案，一起為光伏電站保駕護(hù)航。
（作者簡(jiǎn)介：過(guò)孝剛，配電領(lǐng)域資深技術(shù)專家，現(xiàn)任大全集團(tuán)凱帆電器技術(shù)顧問(wèn)，曾就職于上海人民電器，負(fù)責(zé)配電相關(guān)技術(shù)工作，具有30多年的配電行業(yè)從業(yè)經(jīng)驗(yàn)。）
