光伏智能直流匯流箱功能定位

顧懷本

摘要：光伏發電已廣泛的應用于通訊、能源、農業、交通以及民宅等諸多領域，也越來越被世人所接受和熟知，如何做到系統效率最優、運行維護更便捷，不僅是廣大用戶最關心的重要和熱點問題，也是行業從業者尤其是技術人員重要的研究方向。為此，從光伏發電系統中的一個小型設備——直流匯流箱著手，分析其技術革新過程中的實際功能定位，以期給廣大用戶提供一點點幫助。

關鍵詞：智能；匯流箱；功能；定位

中圖分類號：TB

文獻標識碼：A

doi：10.19311/j.cnki.16723198.2016.21.134

0概述

太陽能發電不需要燃料，無氣體排放，屬于“綠色”能源，具有無污染、安全、長壽命、維護簡單、資源永不枯竭和資源分布廣泛等特點，被認為是21世紀最重要的新能源，可廣泛應用于航天、通訊、能源、農業、辦公設施、交通以及民宅等領域。其中光伏發電是當今主流的太陽能發電方式，而且發展迅猛。至2016年上半年，全國累計光伏裝機容量接近60GW，排名全世界第一位，已從全球制造大國成功轉變成使用大國。在將來的一段時期內，光伏發電還是以大型地面集中型和小型分布式為主的方式快速發展。

大型光伏發電系統的原則構成主要是由太陽能電池組件、直流匯流箱、逆變器、升壓變壓器、高低壓（交直流）配電裝置等設備組成，具體見圖1。

對于大型光伏發電系統，為了減少光伏組件與逆變器之間連接線，方便維護，提高可靠性，一般需要在光伏組件與逆變器之間增加直流匯流裝置。使用光伏直流匯流箱，用戶可以根據逆變器輸入的直流電壓范圍，把一定數量的規格相同的光伏組件串聯組成1個光伏組件串列，再將若干個串列接入光伏直流防雷匯流箱，極大的方便了后級逆變器的接入。目前，有項目也采用數十千瓦級的組串式逆變器，而不采用兆瓦級的集中式逆變器，雖然可以取代直流匯流裝置，但是如果項目規模較大，使得組串式逆變器的使用數量會變得非常龐大，對于系統的運維和數據處理都將帶來非常大工作量。本文著重從有使用直流匯流箱需求的基本前提出發，分析一下智能直流匯流箱的功能定位，使其在光伏發電系統中能更好的發揮積極作用。

1光伏直流匯流箱的基本功能

光伏直流防雷匯流箱的基本功能是用于連接光伏陣列（組串）及逆變器，提供防雷及過流保護。在太陽能光伏發電系統中，為了減少太陽能光伏電池陣列與逆變器之間的連線，用戶可以將一定數量、規格相同的光伏電池串聯起來，組成一個個光伏串列，然后再將若干個光伏串列并聯接入光伏直流匯流箱，在光伏直流匯流箱內匯流后，通過直流斷路器輸出，與光伏逆變器配套使用從而構成完整的光伏發電系統，實現與電網連接。為了提高系統的可靠性和實用性，在光伏匯流箱里配置光伏專用直流防雷模塊、直流熔斷器、防反二極管和斷路器等（原理及實物見圖2）。

光伏直流匯流箱的結構和機柜本身的制造質量、主電路連接、二次線及防雷、防反二極管等電氣元件安裝等應符合標準和規范要求，同時還應滿足室外安裝的使用要求，也就是要求其防護等級應達到IP65以上。

2智能型光伏直流匯流箱

前述光伏直流防雷匯流箱，只是實現了匯集若干個光伏組串的電流、防雷和防止電流逆流發生局部過熱等基本功能，節約了線纜和方便了后續設備逆變器的接入，但是對于所接入的光伏組串的運行參數、對直流熔斷器和直流斷路器以及避雷器的運行狀況等均無法直觀的被掌握，對于大型光伏電站項目，更是工作量巨大，設備故障很難在第一時間被發現和消除。隨著技術的進步，應運而生的是智能型光伏直流防雷匯流箱。智能型光伏直流防雷匯流箱不僅具備了普通光伏直流防雷匯流箱的全部功能，還增加了智能采集裝置，是專門用于監測光伏電池陣列中電池組串的運行參數——電流電壓的測量，還有避雷器、直流熔斷器、防反二極管、直流斷路器的狀態采集和繼電器接點輸出，并帶有風速、溫度、輻照儀等傳感器接口，通過RS485接口可以把測量和采集到的數據和設備狀態上傳至后臺監控服務器上，實現人機友好的交互功能，其原理及實物見圖3。

3智能型光伏直流匯流箱的實際運行情況及原因分析

3.1數據量巨大，給數據的后臺處理帶來難度

以一個20MWp的光伏電站項目，光伏組件按260W標稱功率計算和組串以22塊構成，全站共有76912塊組件和約3500個組串，兩百多只直流匯流箱（16進1出），加上逆變器和升壓變壓器等數據，數以萬計的數據信息要實時采集到監控后臺，并進行分析、匯總、比對、報警和形成報表等，這就給后臺系統的數據處理能力提出了更高的要求。

3.2安裝工藝的欠規范，導致信號傳輸受干擾

按照規范，交直流電纜和通信電纜，都應該單獨敷設或分層敷設，以實現安全和消除干擾的目的?？墒窃趯嶋H操作當中，很鮮見有將通信電纜跟動力電纜分開的，基本都是一個橋架一起敷設，免不了會有共模干擾等影響信號傳輸的因素存在。還有項目采用無線傳輸，也同樣會受到高壓電磁場和其他信號源的干擾。這些都將影響到數據采集的可靠性和準確性。

3.3被測參數的量值較小，加上測量精度的原因，降低了數據的準確度等級

光伏組串的電流值一般都在0～10A之間，主要受光照和環境溫度的影響而變化，大部分是在0～7A之間運行，多云天氣大多在1～2A之間運行，量值比較小。目前市場上的光伏智能直流匯流箱的電流測量元件多采用霍爾傳感器實現，霍爾傳感器受溫度和電磁場、不等位電勢等外界因素的影響，精確度波動較大。當運行參數處于較小量值時，又有外界干擾，使得顯示給運維人員的參數就偏差較大，使日常的運行維護明顯失去了判斷和決策的可靠依據。

3.4運維人員的責任心對實際使用效率影響較大

當現場出現上圖中的數據偏差信息的時候，剛開始運維人員一般都會去現場進行檢查和確認，發現的確有缺陷和故障時，會盡快消除，保證了設備的可用率。但是有時候是信號干擾或其他因素影響導致的，運維人員在經過幾次的“白跑”之后，往往會放松和懈怠，再到后期就可能視而不見，等到“狼真的來了”，也不會去核實，導致系統效率受到顯著影響。還有個別現象，從一開始就沒有調試好，后臺基本一直無數據顯示，也無人問津，結果智能設備就成了擺設。

4功能定位

比起第一代匯流箱，現在的匯流箱技術已向智能控制型發展：防反二極管散熱器外置，以保證箱體內的溫度不會過高；正負極都帶直流熔斷器，保證后續工作元器件的穩定運行；四級斷路器分別串聯使用，提高電壓保護等級；自供電技術的應用，使得匯流箱本身成本降低的同時也降低了對于獨立電源的消耗成本；智能數據采集裝置，使用戶方便掌握每一串光伏組件的工作狀態，還可以進行各系統的效率比對，及時發現設備的運行缺陷和故障并得到快速的消除，提升電站的整體效率和安全系數。

鑒于上述種種優缺點，對待光伏智能直流匯流箱的功能就要根據實際情況進行定位了，不能“迷信”也不能“一棍子打死”。規模相對小的項目，可以采取其他方式對光伏組串進行監測。當規模較大且現場具備相應條件時，應盡量的將通信電纜單獨敷設，同時采購優質的智能測控裝置，減小外界干擾和測量誤差，在后臺系統搭建時，充分考慮對干擾和誤差的判斷和屏蔽，使得光伏智能直流匯流箱真正的發揮其智能的積極作用。