光伏汇流箱|太阳能光伏技术与应用

18．3．2．1 分类及构成

光伏汇流箱是光伏系统重要组成之一，其将若干个光伏组串并联连接，通过内部的汇流单元、监测模块、保护器件，实现对光伏组串间电流汇流、电参数监测、过流保护及防雷等功能，将实时数据传送到电站监控管理中心，同时又达到减少光伏发电系统中电缆使用量的目的，光伏汇流箱电气原理如图18．15所示。

通常光伏汇流箱主要有以下分类方式：按照输入方阵数分为：8路、16路、24路等；按照箱体材质分类：金属、非金属箱体；按照检测、分析、显示、通信功能分类：智能、非智能（无智能控制器）；按照有无防逆流功能分：防逆流型、无防逆流型；此家族又添新型具有火灾监测预、报警型功能。其中，智能汇流箱应用广泛，其具有对各子方阵电流、电压、温度、防雷监测以及故障状态指示等功能，采用有线、无线方式将现场信息实时上传至监控中心，便于电站智能化运维管理，智能结构如图18．16所示。汇流箱中的主要器件和其功能、影响如表18．7所示。

图18．15　汇流箱原理图［16］

图18．16　智能汇流箱结构示意图［16］

表18．7　汇流箱器件名称及其主要影响

18．3．2．2 主要故障及原因

德国召开的第九届光伏防火安全研讨会上德国联邦环境部及自然保护和核安全（BMU）组织提供的光伏发电系统火灾起因各部件比例直方图（见图18．17），虽未直接对光伏汇流箱进行统计，但通过分析：①直流接线盒根据注释指的是采用螺钉接线端子或其他连接方式进行连接，即包含光伏组件接线盒和光伏汇流箱，②汇流箱中包含直流开关、直流线缆、直流连接器，按比例进行叠加计算，可看出光伏汇流箱在光伏电站火灾起因中占很大比例。

图18．17　光伏发电系统各部件火灾起因［17］

目前汇流箱生产企业鱼龙混杂，产品质量良莠不齐，表面相似的汇流箱在细微之处的差异，往往足以影响整个汇流箱以至系统的良好运行。本节以保险丝卡具和汇流接线端子为例，给出其不同设计之间的比较和分析。

1）熔丝卡具

熔丝卡具虽小，但却是汇流箱关键器件之一，承载十几安的电流，要求有良好的面接触（通流及散热）及长寿命的机械弹性。图18．18为两种不同接触方式的熔丝卡具。其在导电、散热、机械性能方面的差异如表18．8所示。

因此，面接触卡具除不具有成本优势外，在导电性、散热性、机械弹性和可焊性方面均优于线接触卡具，具有更低的质量风险。

图18．18　两种不同接触面熔丝卡具示意图（a）线接触卡具　（b）面接触卡具

表18．8　两种熔丝卡性能比较表格

如果选用熔丝底座，则底座外壳应选择耐高温阻燃性好的材料，如满足GB13539．1中耐非正常热和火的要求。

2）汇流排接线端子

汇流排接线端子不但要有良好的导电、散热特性，而且要有足够的紧固力，确保每个支路与汇流排的良好接触，因此，应选择一定强度扭力螺丝及对应强度螺母。

图18．19给出了两种不同类型的汇流排接线端子，其性能差异的比较和分析如表18．9所示。(www.xing528.com)

图18．19　两种汇流排接线端子示意图（a）金属拉伸端子　（b）光伏专用端子

表18．9　汇流排接线端子性能比较

18．3．2．3 质量控制方式

汇流箱应用环境条件非常恶劣，且使用周期长（一般要求寿命大于25年），长期在南方的高温、高湿；北方的低温；西北大的温差；荒漠风蚀；沿海的盐雾等环境下使用，是对可靠性的严峻考验。

保证其可靠性的关键是依据环境及需求进行合理设计，以及把控元器件选型步骤，为保证其满足光伏系统适用要求，避免一种汇流箱包打天下的现象，本节将对设计及元器件选型要点进行介绍。

1）设计方面重点要考虑

（1）电磁兼容性：光伏智能汇流箱电磁环境主要来自逆变器及周边的环境，特别是工厂厂房屋顶电站，应对电磁成分详细分析后采取适当措施，如在监测单元安装滤波器以滤除逆变器的谐波干扰、金属罩的屏蔽外界的电磁干扰，使产品满足相关电磁兼容要求。

（2）环境温度：光伏汇流箱内部发热源主要有防反二极管、保险丝、汇流母排、大电流导线及受阳光直接照射。在设计时，应详细分析电站环境是否有周期性阳光遮挡，如没有，且组件一致性好，则无需加防反二极管以减少功率损耗，同时降低汇流箱设计难度（散热），可采用MPPT功率跟踪优化器技术，解决被遮挡组串／方阵问题。

汇流箱体一般采用IP65设计，空气流通环境较差，因此安装时应避免阳光直射。对于具有防逆流功能的汇流箱应做好散热措施，加装散热片或风扇等。材料及器件选择应满足环境温度变化，尤其是熔丝、断路器参数选择时应保有适当余量。

（3）机械强度：振动主要来自运输和应用环境的风力，如戈壁荒漠电站年平均风力极强，箱体常年受风蚀，机箱表面处理的防护材料的附着强度与风引起的机械共振应重点关注，如控制不当，会产生机箱共振后箱内螺丝松动及脱落造成短路引起火灾的风险，对特殊应用的地方机箱设计应考虑进行风动测试避开共振点。

（4）三防：由于光伏汇流箱所处户外，其气候环境比较恶劣复杂，既有可能暴露使用于湿度高、霉菌多、尘土大、酸碱、冰雪等环境下。因此汇流箱体应采用IP65设计，内外防腐漆处理，内部器件出厂前必须要进行三防漆处理，对于高湿、温差大的环境会造成箱内积水，应考虑排水措施。

（5）安全：组串／方阵输出电压最高达1 000V，光伏汇流箱又是电流的汇集点，如每路电流8A；16路汇流后128A，是高电压大电流环境。而安装、维修时多在白天，机箱表面积雪、潮湿、粉尘，地面潮湿泥泞、杂草等易造成安全隐患。因此开箱后要有隔离护板，并在危险处标有警告标志；输入、输出采用光伏专用电缆；箱体内部不同电位导体之间的电气间隙和爬电距离应满足表18．10要求；金属箱体良好接地；控制板与壳体之间增加绝缘板材，并保持一定的安全距离；选用材料应满足阻燃等级及高低温应用标准。安装维护要有专业人员操作，并在安装、维护前做好防护措施如对组串／方阵进行遮挡处理，或在早晚光伏组件不工作时进行。

表18．10　电气间隙和爬电距离［18］

（6）降容：依据海拔及环境要求应对断路器、电源模块、接线端子、熔丝等进行降容设计。

2）元器件选型方面重点要考虑：

（1）太阳能光伏系统保护用熔断体：用于保护光伏组串和光伏方阵的熔断体，应满足光伏系统的使用要求。目前，国际电工委员会已制订了IEC 60269－6Lowvoltage fuse－Part 6：Supplementary requirements for fuse－links for the protection of solar photovoltaic energy systems，我国等同采用该标准的GB／T 13539．6—2013也于2013年7月1日起实施，此标准中定义了“gPV型”熔断体，规范了光伏熔断体产品质量的具体要求，提高了光伏熔断体在保护光伏组串／方阵电路的可靠性，因此光伏系统中应依据选用符合GB／T 13539．6／IEC 60269－6的光伏熔断体。

（2）直流断路器或直流隔离开关：光伏汇流箱中断路器或隔离开关应选择直流专用型。GB14048．2《低压开关设备和控制设备第2部分：断路器》为断路器为通用标准，缺少对断路器在光伏电站的特殊领域的具体要求与考核，建议对应用于光伏汇流箱中的直流断路器在高低温工作性能、临界电流考核方面等做出具体规定。

（3）光伏电涌保护器SPD（防雷器）：光伏系统中不同于其他交流和直流系统，在SPD劣化时，最大也只能产生正常工作电流的约1．25倍的电流，因此，应使用专为光伏系统设计的电涌保护器来保护直流侧的光伏装置，且电涌保护器的短路耐受电流：Iscwpv＞Isc（汇流箱的短路输出电流），以确保电涌保护器失效后可以脱离开主电路。

针对光伏防雷器的EN 50539－11Low－voltage surge protective devices－Surge protective devices for specific application including d．c．－Part 11：Requirements and tests for SPDs in photovoltaic applications已于2013年发布实施，我国等同采用的国标也正在制定中。

（4）传感器：传感器精度与稳定度与环境因素有很大关系，汇流箱所处环境温差很大，应选低温漂系数器件，为对光伏组串能效分析提供相对准确的数据，则精度至少为1．5级［19］，条件允许的话可以选更高精度。