分布式光伏电站设计中几项关键电气设计技术

周浩　姜姗

1、概述

随着我国不可再生能源保有量日益减少，发展新能源是解决这一问题最有效方法之一。其中分布式光伏发电系统凭借其电能可就地消化、占地面积小等优势在未来有很好的发展前景。随着国家发展光伏产业逐渐向分布式倾斜，好多企业都投入到分布式光伏电站设计这一行业来。

但是，通过对一些企业设计资料的研究中发现，设计中出现了一些关键问题如果不解决，光伏电站的可靠性和安全性会受到严重的影响。下面对比较常见的设计问题进行分析。

2、与SPD串联的过电流防护电器的选择

在分布式光伏电站电气设计中，直流配电柜中需要设置SPD以便于雷击时，逆变器或变压器免受损害。与SPD串联的过电流防护电器在国内有熔断器和断路器两种选择。

当选用断路器时，会导致以下两个问题：

（1）断路器内有一具有很多匝数的大电感线圈，这个线圈作为短路防护的电磁脱扣器，但是会增大SPD连接线上的电感L和其电压降Ldi/dt，这将提高被保护设备承受的雷电冲击电压。

（2）易誤动作而使SPD不起作用。

当采用熔断器将不会产生以上问题，所以在国外与SPD串联的过电流保护电器几乎全部采用熔断器。

但是，目前国内的光伏设计人员在设计过程中，不善于使用熔断器而习惯使用断路器。实践表明，过多的使用断路器常因雷电的冲击电流而跳闸，有大面积停电的可能。还有的设计人员将三级断路器的每级分别与SPD串联，在这种情况下，如果有一个SPD短路失效，三级断路器就会跳闸，其它两个SPD被切断，这样就失去防雷的作用。

3、直流回路中保护器件的选择

太阳能光伏电池、直流汇流箱、直流配电柜到并网逆变器直流输入端之间都是直流电。在直流配电柜中需要安装断路器对直流回路进行保护。由于目前将交流断路器用于直流回路的现象普遍存在，所以需要考虑这种用法的可行性。

断路器能在规定的时间内承载和开断异常回路条件下的电流。断路器分断时，分断触头间会产生电弧。交流系统灭弧相对容易，直流系统灭弧却相对困难。由于交流系统与直流系统不同，所以灭弧原理不同，因此交流断路器与直流断路器在结构和性能上有很大区别。

交流回路在触头分断时，电弧存在过零点。但是在直流回路却不存在电弧过零点，这也决定了交流断路器和直流断路器的设计原理不同，原则上交流断路器不宜在直流电路中。如果交流断路器用于直流回路，可以采用以下办法：

（1）在直流回路降容使用。交流断路器用于直流回路，其分断能力降为同等电压交流分断能力的1/5～1/8。比如交流断路器的分段能力为10kA（220VAC），那么用于直流回路中，它的分断能力降为2kA（220VDC）。

（2）在直流回路中多极串接使用。断路器多极串接的作用是增加断口，使每一个断口承担一部分电压和相应的电弧能量。比如一个四极交流断路器串接于直流回路中，每个断口将承受电压为0.25U（U为220VAC，则每个断口承受的电压为55VAC）。

4、光伏直流电缆的选择

分布式光伏发电系统中的直流电缆一般采用与组件相同的电缆。光伏组件用电缆（PV-电缆）目前尚无国家或行业标准，一般参考德国标准化委员会PV-系统用电缆K411.2.3。

PV光伏电缆适用于最高允许1.8kV直流电压、在光伏系统中DC侧使用的单芯软电缆。适合于Ⅱ类安全等级下使用。DC侧是指光伏装置中从光伏组件、汇流箱、直流配电柜到光伏并网逆变器直流端子之间的部分。光伏设备用无卤PV1-F电缆是根据光伏发电设备所处的特殊环境条件设计的，主要用于光伏电站的DC侧，最高电压DC1.8kV的光伏发电设备系统。电缆运行的环境温度最高到90℃。电缆可以多根并联使用。

由于分布式光伏电站所处的恶劣环境，决定了光伏电缆与常规电缆相比，具有以下特性：

（1）温度范围：

环境温度：-40～90℃；

导体最高工作温度：120℃；

5s短路温度是200℃；

（2）额定电压

DC：1.8kV（线芯对绝缘电压）

（3）具有良好的耐紫外线，抵御恶劣气候环境和经受机械冲击能力。

（4）具备良好的抗臭氧和耐化学腐蚀特性。

（5）具备良好耐湿热（90℃，85%湿度，1000h）性能。

（6）良好低温卷绕和低温弯曲性能。

（7）120℃工作条件下，超过20年的使用寿命。

由此可见，常规的电力电缆无法应用于光伏电站的设计中。

5、结语

针对目前分布式光伏电站设计中的误区，将其中比较重要的三项关键问题进行详细阐述，并给出相应的解决方法，为后续分布式光伏电站的设计提供理论依据。

（作者单位：1.沈阳裕发电力工程设计有限公司；2.沈阳工学院）