光伏发电系统直流侧配置和安全要求探讨

李琼

摘要：光伏发电是新能源的一个重要组成部分，在减少碳排放和降低环境污染方面有重大的意义。对光伏发电系统来说，日常发生的大部分问题都出现在直流侧，在设计和安装阶段做好直流侧的安全和质量控制可以有效延长光伏系统的使用寿命，提高光伏系统的发电效率。结合国际标准，基于设计角度对光伏发电系统直流侧的关键零部件选配和安装进行探讨，力求为国内蓬勃发展的光伏发电行业提供安全和质量管控方面的理论指导。

关键词：光伏发电；光伏系统；安全；质量

中图分类号：TB文献标识码：A文章编号：16723198（2015）04016402

1光伏发电系统配置要求

1.1光伏发电系统基本要求

大中型地面光伏发电站的发电系统宜采用多级汇流，分散逆变，集中并网系统。为了防止不匹配并提高电站性能，接入逆变器同一路MPPT输入回路的所有组串必须选用相同品牌，型号和数量的组件。组串中的组件安装方位角和倾角偏差不能超过5°。

光伏发电系统直流侧的设计电压应高于光伏方阵的最大电压VMAX ARRAY，系统中所采用的设备和材料应适合直流使用，设备和材料的最高允许工作电压应不低于该设计电压，额定电流应大于部件所处回路中的过流保护器触发值。

户外使用的设备防护等级至少要达到IP54以上，并且具备耐紫外线能力。防护等级需充分考虑设备的安装方位。

1.2光伏发电系统直流侧关键部件的选配和安装

1.2.1光伏方阵切断装置要求

方阵和功率转换器之间需配置全极切断装置，确保维护人员在对功率转换器进行维修时不会造成触电的危险。该切断装置需安装在靠近功率转换器的位置或直接安装在功率转换器内部。如果方阵和功率转换器之间有多个切断装置，则切断装置总数不允许超过六个，并且需满足以下两者之一：（1）所有切断装置同时动作；（2）有切断装置处在同一位置，并且在该位置加贴警告语，明确指出必须同时断开所有切断装置才能确保方阵和功率转换器彻底分离。

1.2.2断路器

方阵中的断路器必须符合以下要求：通过IEC60947-2认证；选用非极性断路器，同时切断正负极；额定分断电流大于所处回路中的过流保护器触发值；如果同时做为过流保护器使用则必须符合相应回路中对过流保护器触发值In的要求。

1.2.3线缆

线缆的选型应符合以下要求：额定温度符合现场环境要求；暴露在阳光下的线缆需具备耐紫外线能力；选用柔性多股线；低压直流线缆需选用PV1-F双重绝缘镀锡铜线；组串线缆的载流量按（（SA-1）×ISC MOD）计算。其中，SA为光伏方阵中并联的组串总数；ISC MOD为STC条件下，光伏组串的短路电流；线缆线径大小必须根据安装方式和载流量按照IEC60364-5-52的要求进行选配。

1.2.4连接器

连接器应符合以下要求：通过EN50521认证；内部导体在连接器断开或闭合的情况下都不允许裸露；额定电流大于连接器所处回路中的过流保护器触发值；与线缆线径相匹配；结构设计应避免可以被轻易断开，并且确保只有同一厂家同一型号的连接器才能互联；额定温度和使用环境相匹配；具备双重绝缘或加强绝缘保护；户外使用连接器需符合相应的耐紫外线和IP防护等级要求；避免受拉力作用。

1.2.5保险管

保险管应符合以下要求：选用额定为直流的保险管；额定电压大于方阵最大电压；额定分断电流大于所处回路中的过流保护器触发值；如果同时做为过流保护器使用则必须符合相应回路中对过流保护器触发值In的要求，并且选用符合IEC60269-6要求的类型。

1.2.6旁路二极管

安装在组件接线盒以外旁路二极管应符合以下要求：额定电压大于两倍ISC MOD；额定电流大于1.4倍ISC MOD；需安装在汇流箱或其他部件内部。

1.2.7防反二极管

防反二极管应符合以下要求：额定电压大于两倍方阵最大电压；额定电流大于1.4倍所处回路的短路电流（STC）；需安装在汇流箱或其他部件内部。

1.2.8汇流箱

汇流箱应依据型式，绝缘水平，电压，温升，防护等级，输入输出回路数，输入输出额定电流等技术条件进行选择。汇流箱应按环境温度，相对湿度，海拔高度，地震烈度，污染等级等使用环境条件进行校验.汇流箱应具有以下保护功能：载流件与外壳之间的绝缘阻抗不低于1M欧；应设置防雷保护装置；采用金属箱体的汇流箱应可靠接地；汇流箱的输入回路宜具有防逆流及过流保护，对于多级汇流光伏发电系统，如果前级已有防逆流保护，则后级可不做防逆流保护；汇流箱的输出回路应具有隔离保护措施；宜设置监测装置；户外使用汇流箱应具备防腐，防锈，防暴晒等措施，汇流箱体的防护等级不低于IP54。汇流箱必须安装在便于操作和维护的位置。

1.2.9光伏支架

光伏支架应结合工程实际选用材料，设计结构方案和构造措施，保证支架结构在运输，安装和使用过程中满足强度，稳定性和刚度要求，并符合抗震，抗风和防腐等要求。光伏支架材料宜采用钢材，材质的选用和支架设计应符合GB50017的规定。支架的防腐应符合以下要求：支架在构造上应便于检查和清刷，支架的安装位置必须确保在降雨或组件清洗的时候，水能够及时排走；刚支架防腐宜采用热镀浸锌，镀锌层厚度不应小于55um；支架的卡扣，螺丝和螺母等固定件必须选用不锈钢材质；铝合金支架应进行表面防腐处理，可采用阳极氧化处理措施。

1.2.10自动跟踪系统

自动跟踪系统的检查，至少包含如下项目：自动跟踪系统的导线应具备足够的长度和必要的防护措施，防止系统运行时导线受力或磨损；自动跟踪系统在电源停电或控制失效时，方阵可手动调整为正向朝南位置；自动跟踪系统在风速超过最大允许风速时，方阵可自动调整为水平方向。

2光伏方阵安全要求

2.1通用要求

家用光伏发电系统的组件开路电压不允许超过600V。对于组件开路电压超过600V的非家用光伏发电系统，整个系统方阵，所有连接线缆和汇流箱都必须安装在有隔离防护措施的区域，确保只有具备相关资质的维护人员才能进去其中。

2.2防止触电危险

组件必须符合IEC60730-1，IEC60730-2， IEC61215（晶硅组件），IEC61646（薄膜组件）标准的要求，A类和C类组件必须使用在各自额定的条件下，任何情况下不允许使用B类组件。开路电压超过50V的组件需加旁路二极管（一块组件至少须有一个旁路二级管）。光伏系统在低压侧（1000AC或1500VDC以下）的所有连接线缆必须选用双重绝缘线。对于组件输出一极（正极或负极）接地的并网光伏发电系统，在直流侧和交流侧之间必须配置符合IEC62109-2要求的隔离变压器。

2.3过流保护

2.3.1组串过流保护器

在以下情况下组串需配置过流保护器：

（SA-1）×ISC MOD>IMOD MAX OCPR

一般情况下每个组串都应该提供单独的过流保护器，过流保护器额定触发电流In需满足以下要求：

In>1.5×ISC MODIn<2.4×ISC MODIn≤IMOD MAX OCPR

如果组件IMOD MAX OCPR大于组串ISC MOD×5， 并且满足以下条件， 则允许并联组串公用一个过流保护器：

Ing≥1.5×（Sg）×ISC MODIng

Sg为并联组串数量；Ing为过流保护器额定触发电流。

2.3.2子阵过流保护器

每个子阵都必须配置单独的过流保护器，过流保护器额定触发电流In需满足以下要求：

In≥1.5×ISC S-ARRAYIn≤2.4×ISC S-ARRAY

2.3.3方阵过流保护器

当方阵与电池或其他储能元件连接时，在方阵与储能元件之间需配置过流保护器防止储能元件的故障电流损坏方阵。方阵过流保护器额定触发电流In需满足以下要求：

In≥1.25×ISC S-ARRAYIn≤2.4×ISC S-ARRAY

2.3.4过流保护器安装位置

组串过流保护器应安装在组串汇流箱内部。子阵过流保护器应安装在子阵汇流箱内部。方阵过流保护器应安装在方阵与储能元件之间靠近储能元件的位置。在低压方阵中，过流保护器需安装在所有非接地导线上。在特低压方阵中，过流保护器可以安装在正极或负极，如果特低压方阵中有一极接地，则过流保护器需安装在非接地导线上。

2.4接地故障保护

光伏方阵的接地故障保护配置需符合IEC62109-2的要求。

2.5过电压保护

为了防止雷击或电网电压波动引起的过电压所造成的损害，光伏方阵应根据过电压产生的原因配置相应的保护措施。主要包括：接地，屏蔽，避雷击，安装浪涌保护装置，减少闭环线路的形成。

2.5.1接地

将金属箱体，支架和设备外壳连接到接地基准点上，当箱体带电时可以将电流分流到大地。将系统中的正极或负极接地可以稳定电气系统对地的电压，当采用这种方式时，接地导线应按照以下方法牢固接地：接地点应置于光伏组件和其它元件如开关，断路器，保护二极管之间尽可能靠近组件的位置，这样可以确保永久接地，避免接地连接被开关元件切断；当从方阵中拆去任何一个组件时，系统接地和设备接地都不应被切断；直流系统和交流系统应共用同一接地主电极。

2.5.2屏蔽

屏蔽是当雷击在系统附近的大地放电时，通过降低电磁场与系统输电线路的相互作用对系统提供保护.将线缆置于金属线槽或导管中可以起到屏蔽的作用，线槽和导管的材质选型应避免容易被腐蚀或生锈。

2.5.3避雷击

使用接地的避雷针或避雷器可以有效防止雷击对光伏方阵造成的危害。在确定是否需要架设避雷装置时，应考虑以下各项因素：人员安全（现场是否有人值守）；避雷装置的造价与直接雷击的几率和更换损坏元件的费用之间的关系（雷击发生几率大于两次每平方公里每年的区域应考虑架设避雷装置）；由于避雷装置阴影引起的系统性能损失。

2.5.4浪涌保护装置（SPD）

浪涌保护装置用于对敏感设备如功率转换器或其

（1）选用符合GB18802.1要求的浪涌保护装置。

（2）SPD参数选择：Uc > 1.15 × V MAX ARRAY， Uw < 0.8 × Up （V MAX ARRAY < 424V， Up = 2500V； 424V < V MAX ARRAY < 849V， Up = 4000V； 849V < V MAX ARRAY < 1500V， Up = 6000V）， Iimp > 12.5kA。

（3）在设计寿命内，在额定工作条件下，保护装置的衰退不得超过其标称值。

（4）保护装置的衰退不得低于系统设计寿命的要求。

（5）保护装置必须把被保护点的电压限制在安全水平上，在预期的瞬变条件下，保护装置不应失效。

（6）尽可能把对系统的效率影响降到最小。

2.5.5减少闭环线路的形成

裸露的光伏方阵线缆在布线的时候应该尽量确保正负极线缆捆绑在一起，避免形成闭环，从而降低形成过电压的几率。

2.6光伏方阵接地要求

如果方阵最大电压超过特低电压，则方阵中所有组件的边框和支架都必须良好接地：接地应连续，可靠，接地电阻应小于4欧；接地连接可采用梅花垫圈，机械螺丝或专用接地夹块；自攻螺丝不允许做为接地连接使用；接地连接件需选用不锈钢或其它能防止生锈的材质；接地方式的配置应确保移动任一组件不会影响到其他组件或整个方阵的接地连续性；如果方阵的接地连接同时做为防雷系统的组成部份则方阵应直接和建筑物的主接地极连接，避免通过功率转换器的接地连接再接到主接地极；接地线径需满足IEC60364-5-54的要求。

2.7防电弧保护

输出电压超过50V并且安装在建筑物上的光伏方阵需配置防电弧保护装置。防电弧保护装置应能及时检测并切断方阵中产生的电弧。防电弧切断装置触发后不允许自动合闸，并且具备相应的蜂鸣器或指示灯等明显的警告信号，警告信号在防电弧切断装置触发阶段应该一直存在。

3结语

当前，中国的碳排放量高居全球第一，远超排在第二位的美国，能源利用率也非常低。推广太阳能，减少化石能源的使用将是未来一段时期内的重要战略任务。在设计和开发阶段加强对光伏系统的安全和质量控制有助于延长光伏系统的使用寿命，提高发电效率，有效提高能源利用率。从长远来看，不仅能够带来更大的经济效益，而且能够降低环境污染，真正做到可持续发展。

参考文献

[1]International standard IEC 62446 Edition 1.0： Grid connected photovoltaic systems – Minimum requirements for system documentation，commissioning tests and inspection.

[2]Australian/New Zealand Standard AS/NZS 50332012： Installation and safety requirements for photovoltaic （PV） arrays.