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光伏DC1500V直流系統斷路器選型方案

隨著光伏DC1500V系統的腳步臨近,選型問題大家也提上了議事日程。2015年7月圣昂電氣在國內率先上市DC1500V直流光伏斷路器,并在2015年8月在三峽新能源30MW光伏電站項目中得到采用,這是國內第一次在大型地面光伏電站中批量使用DC1500V直流斷路器。今天就和大家分享我們在DC1500V光伏系統的選型思路。

斷路器的額定工作電流、額定工作電壓、分斷能力三大指標在光伏系統中應重點關注額定工作電壓與額定工作電流,分斷能力做參考指標。額定工作電壓、額定工作電流的選型應當確保斷路器保護可靠且無誤動作。在光伏系統中斷路器選型主要依據是組件的參數、組串塊數、海拔、輻照度峰值、極端低溫及余量等幾個主要方面,組件參數與組串塊數是主要的計算依據,海拔、輻照度峰值、極端低溫應當與設計余量測算一起考量。額定工作電壓主要與組件參數、組串塊數有直接聯系,海拔與低溫在考慮設計余量中考慮。額定工作電流與輻照度峰值、經驗余量一同考慮。我們的選型思路以額定工作電壓與額定工作電流為主線展開,首先我們先談系統電壓,其次談電流。

我們選擇已經通過UL1500V認證的國內某知名組件廠的組件作為計算參照樣本,組件功率260W到275W,組件效率16.8%。需要重點說明的是組件廠的樣本參數是大氣 AM1.5, 輻照度1000 W/m2, 溫度25°C環境下參數,現場峰值數據與以上條件差異較大,這是余量設計計算的重點考慮方面。組件參數選擇方面重點參照組件三個主要參數,1.最大工作電壓;2.最大工作電流;3.最大開路電壓。

首先我們來探討一下電壓的計算:

(圖表一)光伏組件參數表:

 

功率

260W

265W

270W

275W

最大工作電壓

30.7V

30.7V

30.8V

31.2V

最大工作電流

8.49A

8.63A

8.77A

8.82A

最大開路電壓

38.5V

38.5V

38.6V

38.7V

 

 測試數據環境指標:(大氣 AM1.5, 輻照度1000 W/m2, 溫度25°C)

系統電壓最主要的影響是組件的排布和單串組件塊數,DC1500V系統的核心價值應當是提高系統效率,有效降低直流輸電、逆變成本。目前我們主流的單串組件排布采用2*11比較多,這個方案是目前最優成本方案。DC1500V系統并沒有改變發電側與交流側的系統,所以DC1500V方案應保留目前的組件排布主流方案采取增加單串塊數來實現更高的系統電壓。基于以上原因我們推薦DC1500V系統組串排布及塊數最佳方案是3*11,這樣在不改變組件陣列的方案的基礎上可以在電纜、匯流箱、逆變器這三方面取得較大的成本下降。如果我們確定了單串的組件塊數,那么后面的系統電壓就非常好得到了。

(圖表二)光伏DC1500V系統不同功率組件系統在單串33塊組件時基準電壓:

 

功率

260W

265W

270W

275W

最大系統工作電壓

1013.1V

1013.1V

1016.4V

1029.6V

最大系統開路電壓

1270.5V

1270.5V

1273.8V

1277.1V

 

測試數據環境指標:(大氣 AM1.5, 輻照度1000 W/m2, 溫度25°C)

圖表二得出的數據是否就是實際峰值?這個肯定不是,對于系統電壓還有兩個主要影響因素。海拔及溫度,首先從海拔談斷路器的滅弧性能,電壓問題對斷路器的最大挑戰是滅弧,電壓越高難度越大。斷路器參數實驗環境是以2000米海拔的大氣AM基準,在2000米以上空氣相對稀薄,斷路器的滅弧能力隨海拔升高線性下降,我們為了計算方便折算成額定工作電壓降容系數的方式。根據圣昂電氣團隊多年收集的資料分析,國內大型地面電站海拔在1500米到3000米占絕大多數,故推薦海拔降容設計余量方面考慮10%,這樣可以覆蓋絕大多數項目海拔。          

此外環境溫度對組件的輸出電壓有很大影響,從25°到-10°之間組件輸出電壓是一個較陡的上升曲線,在超過-10°以后電壓上升變化較小。組件的電壓溫度系數-0.35%/k(不同廠家略有差異),在溫度系數余量方面我們推薦考慮30*0.35%=10.5%,綜合海拔與溫度的兩個余量考量因素,我們推薦系統的電壓設計余量為20%,以下為推薦的余量修正后的系統電壓情況:

(圖表三)光伏DC1500V系統不同功率組件系統修正電壓:

 

功率

260W

265W

270W

275W

最大系統工作電壓

1215.72V

1215.72V

1219.68V

1235.52V

最大系統開路電壓

1524.6V

1524.6V

1528.56V

1532.52V

備注:本數據根據峰值數據余量20%計算修正,推薦采用。

 

我們從上圖發現通過采用峰值數據計算系統工作電壓最大值在1250V以下,采用DC1500V額定工作電壓的光伏斷路器可以滿足系統要求。但是值得注意的是系統修正最大開路電壓超過斷路器的最高額定有效工作電壓1.5%,雖然這只是修正得出的結果并不代表實際峰值,但海拔超過3000米后開路電壓會超過斷路器的最高有效工作電壓,系統開路電壓不應超過斷路器的最高有效工作電壓是我們選型的基本守則。

其次:我們看一下電流的選擇,電流的選擇在DC1000V系統按照每串12A計算后取斷路器優選值的速算辦法辦法是主流,這個方案也是我在2011年底的研究成果。在DC1500V系統計算方式沒有錯,但是不能再采用這個結果了。組件的效率提升是近年組件價格下降的主要原因,也就是在相同的單位面積中輸出更高功率,組件面積沒有增大但功率增加了,這必然會使組件電壓和電流輸出都提高,在260W以上光伏系統中都要逐步考慮增加斷路器的額定工作電流,電流的提升與DC1500V還是DC1000V系統沒有關系,這是組件輸出參數提升帶來的問題。

(圖表四):最大工作電流計算表

 

功率

260W

265W

270W

275W

最大工作電流

8.49A

8.63A

8.77A

8.82A

修正后電流

12.735A

12.945A

13.155A

13.23A

16路匯流箱出線預測峰值

203.76A

207.12A

210.48A

211.68A

 

我們對光伏斷路器的電流選型計算推薦用組件標稱最大工作電流*150%的簡單速算法,圣昂電氣團隊人員通過從2010年開始跟蹤調查結果看,130%的經驗余量設計是臨界值,非常容易出現誤跳事故。

關于斷路器推薦余量50%的原因有三點,1.輻照度影響:組件電流參數是輻照度1000的基準,輻照條件好的地區峰值輻照度在1200左右,這樣至少消耗掉了20%設計余量,西北地區2季度最易超發。2.設備安裝環境都比較惡劣、散熱差,設備內部溫度都很高,這對斷路器有降容的影響,現場實測發現過最高溫度超過70°。3.不同廠家斷路器溫升控制差距很大,我們的光伏斷路器在串聯后的溫升不超過60K,一般要在70K以上,超過80K不合格產品也大行其道,超過80K溫升的主要誘因是串聯部分沒有使用焊接方式,銅排螺釘安裝發熱過高。在2012年西北地區某韓國品牌斷路器產品串聯溫升不能滿足使用大面積誤跳閘還歷歷在目。我們推薦的電流余量精確設計選擇是30%經驗余量+(峰值輻照度/1000-1)*100%=項目實際電流設計余量,簡單速算按照50%計算

最后總結一下我們的觀點:光伏DC1500V系統我們推薦單串組件3*11=33塊的方案,匯流箱出線及逆變器進線斷路器工作電壓選擇DC1500V,電流最小選擇225A,如采用了串聯是使用螺釘安裝銅排等非焊接連接的方式,電流建議再選大一檔到250A.光伏斷路器的選型推薦大家以峰值參數作為計算依據。

 

2015年9月8日 09:00
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