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选择合适的光伏直流开关的重要性和方法

2015/5/1 20:30:06 来源:普兆直流开关
关键词:选择光伏直流开关重要性和方法,光伏直流开关质量,优质光伏直流开关

一、光伏直流开关质量问题导致多家澳大利亚太阳能公司关门大吉

越来越多的澳大利亚太阳能公司由于贴牌销售的光伏直流开关不合格导致关门大吉。几乎所有的澳大利亚经销商都选择对进口廉价的直流开关进行贴牌来销售,一来开关的贴牌比较容易,仅仅更换名牌和包装,原厂配合容易;其次这些原厂往往属于小作坊,没有什么品牌知名度,规模小,也愿意配合。经销商通过贴上澳洲本地品牌进行销售能增加廉价直流开关的附加值。经销商对贴牌后的产品需要承担后期所有的质保服务,对产品的问题承担一切责任。这样,一旦产品有质量问题,会让经销商承担更高的风险,影响自身的品牌影响度,这也是导致这些公司倒闭的主要原因。

这些直流开关主要的问题在于:

  1. 触点高阻抗引起过热,甚至起火;
  2. 开关无法正常关断,开关手柄保持在‘OFF’状态;
  3. 不完全切断,引起火花;
  4. 由于容许工作电流太小,容易引起过热,使开关灭弧室损坏甚至外形变形。

昆士兰一家公司出售据检验有安全隐患的直流开关,在用户屋顶的太阳能系统上引发了至少70 起火灾,另外还有数以万计存在电气火灾风险的房主忧心忡忡。

总部设在阳光海岸的Advancetech 是一个历史悠久的公司,他们的座右铭是“尝试,测试,可信”。2014 年5 月12 日,昆士兰首席检察官Jarrod Bleijie 下令立即召回由Advancetech 公司进口及销售的27600 个太阳能直流开关,该光伏直流开关在进口时被更名为“Avanco”。2014 年5 月16 日,Advancetech 进入破产清算,所有安装商和二级分销商不得不自己承担更换问题产品的费用及风险。这表明,关键不在于你购买了什么而是你向谁购买的东西及其潜在的风险。相关信息可以查阅:http://www.recalls.gov.au/content/index.phtml/itemId/1059088

为什么要选用IMO太阳能断路器

图一:AVANCO 品牌光伏直流开关召回通知

另外在澳大利亚被召回的品牌还涉及到:

GWR PTY LTD Trading as Uniquip Industries 公司的直流开关,召回原因是过热和引起火灾:http://www.recalls.gov.au/content/index.phtml/itemId/1060436

NHP Electrical Engineering Product Pty Ltd 公司的直流开关,召回原因是当手柄切换到’OFF’状态,但是触点始终是’ON’状态,开关无法关断:http://www.recalls.gov.au/content/index.phtml/itemId/1055934

为什么要选用IMO太阳能断路器

图二:NHP 品牌光伏直流开关召回通知

DKSH Australia Pty Ltd 的PVPower 品牌直流开关,召回原因同样是过热和引起火灾:http://www.recalls.gov.au/content/index.phtml/itemId/1056490

为什么要选用IMO太阳能断路器

图三:PVPOWER 品牌光伏直流开关召回通知

eltechindustries 公司的的DC ISO-MAX 品牌直流开关,主要原因是由于设计缺陷导致不完全切断,甚至产品火弧和过热: http://www.recalls.gov.au/content/index.phtml/itemId/1009869

为什么要选用IMO太阳能断路器

图四:DC ISO-MAX 品牌光伏直流开关召回通知

目前市面上也有很多所谓的直流断路器并不是真正的直流断路,而是由交流断路器改良而来。光伏系统一般断开电压和电流都比较高,万一有接地故障,高的短路电流会把触头拉到一起,从而造就极高的短路电流,最大可高达千安培(取决于不同产品)。尤其是光伏系统中常见多路电池板并联输入或者多路电池板独立输入,这样就需要同时切断多路电池板直流并联输入或多路电池板直流独立输入,这些场合对直流开关的灭弧能力要求会更高,这些改良而来的直流断路器用在光伏系统中会存在很大的风险。

交流电的每个周期都有自然过零点,在过零点容易熄弧;而直流电没有零点,电弧难以熄灭。交流系统灭弧容易,直流系统灭弧比较困难。由于系统不一样、灭弧的原理不同,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。相对于交流断路器,直流断路器需要增加额外的灭弧装置以增强灭弧能力。任何交流断路器大部分材料采用一些适用于交流电路的设计制造,这意味着无论负载的电压是230 伏(交流)还是400 伏(交流),它都是50/60 赫兹的正弦波。在通断交流电时,一定要注意电压的特点是它一定会通过0 伏,因此,尽管不同的负载情况有不同,但是电流都会逐渐自行消失——这里指的是即使断路器在电源峰值的时候开关,且触头间有电弧形成,电源电压减小到0伏的过程也意味着负载的电压同样会趋向于零,电弧被灭掉。然而,直流负载电压总保持恒定,通过触头之间的功率总是不变,除非负载变为零。如果负载是500 伏(直流),25 安培,那么它现在,一秒以后,一分钟以后,一小时以后都是500 伏,25 安培——保持恒定。与交流不一样,所有直流负载在整个关断过程中直流开关触头之间的负载是恒定的; 直流电不穿越0 伏电平,除非有系统电源故障(或其它错误)。

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图五:直流和交流电

二、正确选择直流开关的几条标准

如何为光伏系统选择合适的直流开关呢?以下几个标准可以作为参考:

1.尽量选择大品牌,尤其是通过国际认证的品牌。

光伏直流断路器主要有欧洲的认证IEC 60947-3(欧洲通用标准,亚太大多国家沿用), UL 508(美国通用标准),UL508i(针对光伏系统用直流开关美国标准),GB14048.3 (国内通用标准),CAN/CSA-C22.2(加拿大通用标准),VDE 0660。目前国际大品牌都具备如上所有的认证,比如英国的IMO 和荷兰的SANTON,国内的大多数品牌目前都只通过了通用性标准 IEC 60947-3。

2.选择灭弧功能好的直流断路器。

灭弧效果是考核直流开关的最重要指标之一。真正的直流断路器都有专门的灭弧装置,可以带载关断。一般真正的直流断路器的结构设计比较特殊,手柄和触头没有直接的连接,所以通断的时候不是直接旋转触头而断开,而是有特殊的弹簧进行连接,当手柄旋转或者移动到一个特定点时触发所有的触头“突然断开”,因而产生一个非常迅速的通断动作,使电弧时间持续比较短。一般国际一线品牌的光伏直流开关的电弧持续几个毫秒时间内被灭掉,比如IMO 的SI系统宣称是在5 个毫秒内进行灭弧。而一般交流断路器改良过来的直流断路器电弧持续100 毫秒以上。

3.耐高电压和电流。

一般光伏系统的电压可能达到1000V(美国600V),需要断开的电流根据组件的品牌和功率、光伏系统连接方式是多串并联还是多串独立连接(多路MPPT)而不同。直流开关的电压和电流由需要断开的光伏阵列的串电压和并电流决定。光伏直流断路器在选型时参照如下经验:

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一般大品牌的直流开关都可以断开1000V 的系统直流电压,甚至设计断开1500V 的直流输入。大品牌的直流开关往往有大功率系列,比如ABB 的光伏直流开关有上百安系列的产品,IMO 专注于分布式光伏系统用直流开关,能提供50A,1500V 的直流开关。而一些小厂家一般只能提供16A,25A 的直流开关,其技术和工艺很难生产出大功率的光伏直流开关。

4.产品型号齐全。

一般大品牌的直流开关有多种型号能满足不同场合需求,有外置的、内置的、端子通过串联和并联满足多路MPPT 输入的、带锁和不带锁的、更有满足多种安装方式的比如底座安装(安装在汇流箱和配电柜中),单孔和面板安装等。

5.材料阻燃和防护等级高。

一般直流开关的外壳、本体材料或者是手柄都是塑料,具有自身的阻燃特性,通常能达到UL94 标准。质量好的直流开关的外壳或者本体能满足UL 94V-0 标准,而手柄一般达到UL94 V-2 标准。

其次对于内置于逆变器内部的直流开关,如果外部有手柄可以进行开关,一般要求开关的防护等级至少满足整机防护等级的测试要求。目前行业中应用较多的组串型逆变器(一般小于30kW 功率等级)一般都满足IP65 的整机防护等级,这就要求内置直流开关和机器安装时面板的密封性要求比较高。对于外置的直流开关,如果安装室外,都要求满足至少IP65 的防护等级。

三、光伏系统中直流开关的选型步骤

光伏直流开关的选型一般通过关键参数初步估算并保证足够的余量。光伏系统中光伏电池板本身的输出功率受到天气、环境温度、逆变器功率点跟踪等影响;其次,光伏逆变器本身有输入功率的限制和保护,有最大容许输入电压,以及电流的限制和保护;最后直流开关本身的额定关断能力和环境温度也有关系。环境一定的时候电池板(电池阵列)输出受逆变器直流侧功率跟踪的影响,随着电压的升高,直流开关通断电流的能力会下降(热效应影响)。总的来说使用的直流开关能通断电池板实际输出的电压和电流,天气、环境稳定、逆变器的功率跟踪等都需要考虑在内。

最简单的方法是选择的直流开关(无论外置和内置)满足如上公式1.1 和1.2的要求。由于电池板不可能工作在最大开路电压和短路电流上,所以一般外置的直流开关使用最大功率点电压和电流来做参考:

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对于内置的直流开关,可能还会受到逆变器本身最大输入电压和电流的限制,所以为了合理节约系统成本,一般依据直流开关能通断电池板实际输出的电压和电流,并不高于所选择使用的逆变器的保护电压和电流。总的来说,直流开关的通断V-1 曲线需要包络逆变器允许输入的直流电压和电流曲线。

总的来说光伏直流开关的选择可以根据如下几个步骤:

1.确定系统电压。

所选择的直流开关允许最大电压需要能达到光伏系统电压要求。常见的有600V 和1000V。一般接入单相逆变器的系统电压最高为600V,三相组串型或者电站型逆变器的系统电压最高为1000V。

2.确定独立电池串的路数。

如果是内置的直流开关,由于集成在逆变器内部,所以和逆变器独立的MPPT 数目有关系。常见的逆变器是单路MPPT,双路MPPT,市面上也有少数3 路MPPT 的并网逆变器。一般逆变器功率等级在1kW~3kW 的设计为单路MPPT;3kW~30kW 为双路MPPT,有少数公司也有三路MPPT 的逆变器;大型逆变器100kW 以上一般都是通过汇流箱汇流后输入一路MPPT。逆变器独立的MPPT 数目决定了选择的内置直流开关的独立通段对数。

如果是外置直流开关,可能和设计的系统组网有关系,可以选择具有通断多串电池板的外置直流开关或者选择只能通断一串电池板的外置直流开关。

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图六 通断多串独立的电池板的外置直流开关

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图七 通断一串电池板的外置直流开关

3.确定电池串的电压和电流。

通过电池组串电压和电流参数,一般保险起见根据公式1.1 和1.2 计算,也可以根据公式1.3 和1.4。如果对光伏逆变器的构造比较了解,尤其是逆变器厂家在选择内置直流开关时,为了有效节约逆变器整机成本,可以通过研究逆变器出入直流电压电流曲线来选择,保证所选择的直流开关曲线在各种天气环境和温度下都包络逆变器输入的直流开关和电流曲线。

4.分析使用的环境和安装方式。

根据使用的环境确定工作温度,防护和防火等级,一般品质好的直流开关工作稳定可以在-40°到60°。常见的外置直流开关防护等级为IP65,内置直流开关安装后保证整机通过IP65。防火等级一般为外壳或者本体材料UL 94V-0, 手柄UL 94V-2。

安装方式有面板安装,底座安装,单孔安装等。

5.确定具体型号。

如上1~4 满足,接下来需要从所倾向的品牌中选择具体型号。一般具体型号的规格是通过电流分段的,完全匹配的直流开关是很难找到的,一般留有一定的余量来选择高于理论计算的规格的直流开关。常见有16A,25A 和32A,有些大厂家会有40A,50A,600V 或者1000V 额定电压等级。

随着国内光伏政策的明晰,光伏电站新增安装的逐年增加,尤其是目前分布式光伏系统的启动,个人住户屋顶光伏系统的安装将越来越流行。光伏直流开关将是这些系统安全性保障的最重要部件,光伏直流开关的可靠性和稳定性直接关系到光伏系统的稳定发电和收益,直接影响到光伏系统的安全可靠运行,所以选择合格的光伏直流开关将至关重要。目前国内市场所谓的光伏直流开关多是一些交流开关或其改进产品,不是真正应用在光伏系统中的具有安全灭弧、高功率切断的直流开关。这些交流开关的灭弧能力、额定带载切断功率都远远不够,容易导致过热、漏电和火花,严重时甚至烧毁掉整个光伏电站。

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浅谈光伏系统中直流开关的选型思路 一般逆变器功率等级在1kW~3kW的设计为单路MPPT;3kW~30kW为双路MPPT,有少数公司也有三路MPPT的逆变器;大型逆变器100kW以上一般都是通过汇流箱汇流后输入一路MPPT。逆变器独立的MPPT数目决定了选择的内置直流开关的独立通段对数。

选择合适的光伏直流开关的重要性和方法 灭弧效果是考核直流开关的最重要指标之一。真正的直流断路器都有专门的灭弧装置,可以带载关断。一般真正的直流断路器的结构设计比较特殊,手柄和触头没有直接的连接,所以通断的时候不是直接旋转触头而断开,而是有特殊的弹簧进行连接,当手柄旋转或者移动到一个特定点时触发所有的触头“突然断开”,因而产生一个非常迅速的通断动作,使电弧时间持续比较短

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