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光伏汇流箱


光伏汇流箱
一、序言 由工业革命开创的现代文明,都建立在大规模开采、使用化石燃料的基础 上的,但在伴随着化石燃料的不断消耗,人类已经开始意识到必须要面对潜在的 能源危机——化石能源终将枯竭。据估计,我国的煤可以开采 80 年,天然气只 可开采 30 年,石油只够开采 20 年。全球能源结构将在本世纪发生根本改变。 太阳辐射能预计在 100 亿年里可保持近似恒定的辐射输出

,太阳能堪称无 限的能源。世界各国都在积极寻求可替代化石燃料的新型绿色能源,太阳能光伏 发电技术是利用“光生伏打效应”将光直接转换为电能,整个转换过程无排放, 是最清洁、最环保的绿色能源。而光伏汇流箱是应用于智能光伏发电系统中用于 对光电池串列及外围辅助元件进行监测的一种智能设备。 是伴随着光伏发电的大 规模应用而产生的一个新型产品, 下面就太阳能发电系统的结构来说明汇流箱的 功能和应用,一般的光伏并网电站结构如下(见下图):

其中主要由 1、光伏电池阵列,2、光伏汇流箱,3,逆变器三部分组成,由电

池阵列接受光照产生直流电流,电流输出到汇流箱并联阔流,然后由多个汇流箱 输出到逆变器, 最终逆变器把直流电转换为交流电后输送到电网或经过升压后进 行并网。如果是离网发电系统则还需要配备蓄电池及控制器,用以在无阳光条件 下维持发电。 下面就以光伏发电的特点说明汇流箱的具体功用, 由于单体光伏电池的输出 电压、电流和功率都很小,一般只有 0.5V 左右,不能满足作为电源应用的要求, 为了提高输出功率,需要多个单体电池合理的串、并联后封装成组件。而太阳能 本身是一种低密度的平面能源,需要用大面积的太阳能电池来采集。所以在需要

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更大功率的场合,还需要再将多个组件组成方阵,以提供数值更大的电流、电压 的输出。为了节约电缆,简化系统结构,提高可靠性和可维护性等原因,实际安 装工程中需要把多个方阵的输出电缆先进行并联后(一级汇流)再输入到逆变器 (二级汇流),而不是直接把所有方阵电缆直接接入逆变器。 根据上文所述光伏电站的特性,实际应用中需要解决下面几个问题: 1.由于光伏电站使用的电池组件由成千上万个, 有些电站面积达十多平方公里, 如何才能发现某个电池组件失效呢? 2.由于电站占地广,且在室外安装,如何防止夏季雷击损害? 3.如果加装了防雷装置,防雷装置失效了如何及时发现? 4.由于光伏电站目前主要作为电网的补充供电,所以电站的逆变器是间歇工作 的,在逆变器不工作时是否需要防止并联的多个方阵之间的内部电流环流? 5.多个电池阵列并联后,假设其中某个光伏组件内部短路后,如何防止其他正 常工作的电池的电流倒灌到损坏电池组造成事故呢? 6.在二级汇流侧出现短路故障时如何保护光伏电池? 7.光伏电池发电效率低,目前效率最高的也仅 18%左右,如何在不提高光伏电 池成本的基础上提高输出能力? 要解决上述问题,目前市场上有两种产品:一种是非智能化产品,能解决上述部 分问题。 而要解决全部则必须由智能终端来完成, 这个智能终端就是光伏汇流箱, 它所需要实现的功能如下: 1.要能够检测到光伏电池阵列中损坏的电池组件需要测量此电池阵列的输出电 流是否正常,而为了防止光伏电池的高电压造成设备损坏和人身伤害,需要 进行隔离测量直流电流,因此需要用到霍尔电流传感器来完成; 2.为防止雷击损坏,汇流箱内必须在正负、极、对地之间加雷击浪涌保护器, 而浪涌保护器使用使用寿命的,动作几次后就会失效,为了及时掌握浪涌保 护器是否完好,需要采集浪涌保护器的状态输出接点。 3.为了防止逆变器不工作时,并联的电池阵列中形成环流,(实际应用中光伏 电池厂家并未对内部环流提出明确的应该避免的技术要求)可以在每个电池 阵列输入到汇流的回路内串接一只防反二极管,及可防止内部环流的形成, 当然这种结构也会损失效率,目前耐压为 1kV,工作电流为 10A 的二极管压

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降一般在 0.8V~1V 左右,所以如果在发电电流为 10A 的情况下,会造成约为 10W 的功率以发热的形式损耗掉。 4.为避免电流倒灌和电池过流损坏光伏电池,需要在每个电池阵列输出回路中 安装熔断器,作为保护昂贵的光伏电池的最后一道防线,根据光伏电池的电 流特性,光伏电池的短路电流仅为额定电流的 1.25 倍左右,而目前电池组件 的最高串接电压可达 1kV,所以需要选用耐压为 1kV,熔断电流为额定电流 1.25 倍的 IR 特性快速熔断器。 5.二级汇流侧出现短路情况时,则需在光伏电池阵列并联后,在回路中增加一 个额定电压为电池阵列最大空载电压,额定电流为光伏电池并联后最大额定 电流的直流断路器来保护,目前的常用的做法是,使用专用的直流断路器两 极串联来提高断路器的额定工作电压。为能够检测到断路器的工作状态,可 以采集断路器的辅助输出接点进行判断。甚至如果采用带有电操作机构的断 路器,可以使用智能汇流箱内提供的输出接点控制电操作机构的分合闸。 6.为提高光电池的输出效率,可以使用太阳位置追踪装置,来控制光伏电池板 的水平和垂直方向的倾角,跟踪早晨到日暮,春夏到秋冬的太阳轨迹变化, 使阳光对电池板的入射角保持在最佳状态(太阳能电池板倾角的控制也可以 保护电池板在在暴风雪或暴风雨的气候环境下自动调整角度,使电池板避免 损坏)。轨迹控制需要用到位置传感器,而对阳光光强的检测需要用到照度 计、风速的测量需要用到风速传感器、电池板温度的变化也影响到其输出效 率,所以也可以对电池温度进行测量。 7.由于上述器件需要室外安装所以需要汇流箱体能达到 IP54 的防护等级方能 保证汇流箱内设备安全可靠地工作。使用环境也比较多的在我国光照资源丰 富的西北高海拔区域,所以环境温度最低需要达到-25℃也能可靠工作。 8.由于汇流箱零散分布在电站各个区域,汇流箱内的采集装置的辅助供电布线 比较困难,所以某些智能汇流箱开发出了直接光电池供电的专用产品,实现 DC800V 直接供能,解决了应用中布线难的矛盾。 9.智能汇流箱还需要把上文检测的众多数据远传到中央控制室,进行数据分析 和显示,以排除故障,检测系统运行情况,执行某些操作命令,为保证远距

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离、恶劣的使用环境及布线成本的考虑,汇流箱必须具备 RS485 通讯口,以 实现和上位机控制系统实现数据采集和交换。 二、国内主要品牌型号 下面介绍下目前国内汇流箱厂家: 合肥阳光的 PVS-xM 系列; 北京能高 SCHZx 系列;许继 THL- PVX 系列;上海安科瑞电器 APV-Mx 系列;江苏兆伏集体的 ZOF-PVCOMB 系列;上海盎特电器有限公司的 ANT-CB-x 系列,深圳市天盾雷电技 术有限的 SDDL 系列汇流箱产品。 下面以安科瑞 APV-Mx 系列汇流箱产品为例,介绍光伏汇流箱的功能及技术 参数: 上海安科瑞电器是一家专业从事电力监控、电能管理、电气安全系统及产 品的研发、生产。针对目前新型绿色能源的兴起,由专门的技术团队开发了应用 于太阳能光伏发电系统的智能汇流箱产品, 该产品能对接入的每一路光伏电池阵 列电流进行测量,可以就地显示电流,指示接入的光伏阵列是否故障;能测量汇 流后电池电压,并计算每一路电池串的功率输出;正负回路均可配置熔断器;具 有光伏专用防雷保护器, 并能监测防雷元件的工作状态, 指示防雷元件是否失效; 具有外部通用传感器接口,用于监测箱体或外部环境温度,风速、辐照等参数; 可配置接点输出功能用于驱动执行机构如分合闸线圈用于驱动直流断路器等设 备;带有 RS485 通讯口,可以把就地信号经过通讯远传到上位机系统。 产品特点 ◆ 满足室内外安装要求,防水等级为 IP65 ◆ 测量元件采用霍尔传感器,隔离测量最大 16 路输入 ◆ 板载光伏专用熔断器,耐压 DC1kV,熔断电流可选择 ◆ 可选电压测量功能,最高测量电压 DC 1kV ◆ 提供外部传感器输入接口,可测量辐照、温度、风速等 ◆ 具有 RS485 通讯接口,使用 Modebus-RTU 通讯协议 ◆ 多种供电方式可选择,适用于家用屋顶太阳能或专业光伏电站应用 ◆ 可根据客户需求配用国外 ABB 等厂家的光伏专用直流断路器,光伏专用 直流熔断器、防雷保护器等等。 ◆ 技术参数

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产品型号 输入路数 输入范围 反应时间 测量精度 RS485 通讯

APV-M4 4路

APV-M8 8路

APV-M12 12 路 DC 0~15A 1s

APV-M16 16 路

光伏电池测量 0.5 级、外部模拟量 0.2 级 RS485/ModBus-RTU 协议,4800/9600/19200/38400bps 附加功能

继电器输出 开关量输入 模拟量输入

2 组转换 8A/AC250V(8A/DC 30V) 3 组外部状态输入(光耦或干接点方式) PT100、DC 0(4)~20mA、DC 0~10V 通用技术参数

温度/湿度 海拔 绝缘电阻 辅助电源

工作温度:-25~+60℃,湿度 95%,无凝露、无腐蚀性气体场所 ≤4000m ≥100MΩ 辅助电源:AC85V~265V 或 DC 400~800V 或 DC 24V(±10%)

光伏发电不仅能够为边远无电地区人民提供绿色电力,更可推进中国的“百 万太阳能光屋顶计划”。建设中国的光伏屋顶大型并网光伏电站,促进太阳能光 伏发电由“补充能源”向“替代能源”过渡,而智能型光伏汇流箱也必将在太阳 能发电的规模化应用中发挥重要作用。

参考文献 [1]崔荣强,赵春江,吴达成,并网型太阳能光伏发电系统。化学工业出版社, 2007 [2]上海安科瑞 APV-M 系列光伏汇流箱产品说明书 [3]上海安科瑞 AGF-M 系列光伏直流汇流采集装置产品说明书

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