光伏系統(tǒng)直流匯流箱設(shè)計(jì)選型研究

吉帥

西安特變電工電力設(shè)計(jì)有限責(zé)任公司 陜西 西安 710110

引言

在光伏領(lǐng)域，目前組件電池片尺寸集中在182、210mm，其中182mm尺寸可暫定為540Wp+，210mm尺寸可暫定為640Wp+，而組件亦有單面、雙面之分。在直流匯流箱選型時(shí)，涉及本體和外部設(shè)計(jì)兩類(lèi)。

1 匯流箱本體設(shè)計(jì)

直流匯流箱本體設(shè)計(jì)主要為輸入回路數(shù)、直流熔斷器、直流斷路器、輸入端子及殼體材質(zhì)。

1.1 輸入回路數(shù)

匯流箱輸入回路數(shù)一般以16、18、20、22、24為主，其中16、24匯1較為常見(jiàn)。輸入回路數(shù)與光伏整體系統(tǒng)設(shè)計(jì)息息相關(guān)。

1.2 直流熔斷器

直流熔斷器選型參見(jiàn)CGC/GF 037：2014 《光伏匯流設(shè)備技術(shù)規(guī)范》，規(guī)定在標(biāo)準(zhǔn)工況下，直流熔斷器選型應(yīng)按照1.5支路最大允許電流值來(lái)考慮[1]。組件采用雙面時(shí)，背面增益一般根據(jù)組件離地高度、地表附著物來(lái)確定反射率和背面增益百分比，背面增益歸集于組串電流暫定15%，即1.15倍。

光伏用1500V系統(tǒng)熔斷器標(biāo)稱電流擋位一般為20A、25A、32A、35A、40A等。

1.2.1 以單面540Wp組件為例，Isc短路電流為13.86A，Imp最大功率點(diǎn)工作電流為12.97A。直流熔斷器I1≥1.5×13.86=20.79A，直流熔斷器可選擇25A。

1.2.2 以雙面540Wp組件為例，組件正面Isc短路電流為13.86A，Imp最大功率點(diǎn)工作電流為12.97A。直流熔斷器I2≥1.5×13.86×1.15=23.91A，直流熔斷器可選擇25A?？紤]有些地區(qū)光資源較好，地面反射率高時(shí)，建議標(biāo)稱選擇32A。

1.2.3 以單面640Wp組件為例，Isc短路電流為18.34A，Imp最大功率點(diǎn)工作電流為17.3A。直流熔斷器I1≥1.5×18.34=27.51A，直流熔斷器可選擇32A。

1.2.4 以雙面640Wp組件為例，組件正面Isc短路電流為18.26A，Imp最大功率點(diǎn)工作電流為17.19A。直流熔斷器I1≥1.5×18.26×1.15=31.5A，直流熔斷器可選擇32A。考慮有些地區(qū)光資源較好，地面反射率高時(shí)，建議標(biāo)稱選擇35A。

其他型號(hào)組件可參考類(lèi)同設(shè)計(jì)選型。

1.3 直流斷路器

1500V系統(tǒng)斷路器主要選擇為塑殼斷路器，其額定電流主要受到接入組串?dāng)?shù)量來(lái)決定?；贕B∕T 14048.2-2020 《低壓開(kāi)關(guān)設(shè)備和控制設(shè)備 第2部分：斷路器》和CNCA-CTS-0001-2011A《光伏匯流設(shè)備技術(shù)規(guī)范》等國(guó)標(biāo)、行標(biāo)要求，考慮斷路器額定電流應(yīng)不小于1.25倍負(fù)載電流，本次計(jì)算不考慮海拔高度、電壓波動(dòng)、斷路器產(chǎn)品手冊(cè)溫升值等因素，后期具體項(xiàng)目需予以參考修正[2]。

若選用16匯1匯流箱，組件選用540單面，則匯流箱出線負(fù)載電流最大值I1=16×12.97A=207.52A。按照1.25倍負(fù)載電流考慮，斷路器額定電流I2≥1.25×207.52A=259.4A。因此斷路器選型為額定電流320A（基于市場(chǎng)斷路器產(chǎn)品檔位規(guī)格）。

若選用16匯1匯流箱，組件選用540雙面組件，則匯流箱出線負(fù)載電流最大值I1=16×12.97A×1.15=238.65A。按照1.25倍負(fù)載電流考慮，斷路器額定電流I2≥1.25×238.65A=298.31A。因此斷路器選型為額定電流320A（基于市場(chǎng)斷路器產(chǎn)品檔位規(guī)格）。

同理可推斷24匯1匯流箱，以及選擇640單面、雙面組件所對(duì)應(yīng)的斷路器選型規(guī)格。

1.4 線纜接頭

匯流箱接頭有螺紋接頭、MC4插頭等。

1.4.1 螺紋接頭：該結(jié)構(gòu)插頭較為常見(jiàn)。夾緊圈經(jīng)特殊設(shè)計(jì)，拉力強(qiáng)，對(duì)點(diǎn)擊不造成損傷。同時(shí)不需將固定頭解體，電纜可直接穿入上緊即可，省時(shí)方便。

1.4.2 MC4插頭：該結(jié)構(gòu)插頭成本相對(duì)較高。PPE材質(zhì)居多，電纜接線時(shí)可自動(dòng)鎖扣插接，裝拆簡(jiǎn)易，防水性能較好。在安裝高度較大，水上作業(yè)時(shí)，一般可以推薦使用[3]。但采用該插頭方案其光伏線引至匯流箱時(shí)，每串組件需要增加2個(gè)插頭，有效與箱體插頭進(jìn)行無(wú)縫對(duì)接，導(dǎo)致工程系統(tǒng)成本進(jìn)一步上升。

綜合考慮，匯流箱本體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)采用螺紋接頭即可。

1.5 溫升值修正

斷路器一般對(duì)自身環(huán)境使用條件有所明確，以ABB產(chǎn)品為例，斷路器工作環(huán)境溫度范圍-25°～70°，在40°時(shí)脫扣電流等于額定電流，不降容。超過(guò)40°時(shí)脫扣電流會(huì)降低，降容運(yùn)行。

ABB斷路器額定電流320A時(shí)，50°、60°、70°對(duì)應(yīng)的脫扣電流為305A，285A，263A。額定電流400A時(shí)，對(duì)應(yīng)的脫扣電流為380A、355A、325A。

若考慮70°運(yùn)行不使斷路器出現(xiàn)脫扣情況，在16匯1匯流箱（298.31A）電流情況下，斷路器應(yīng)選擇400A才能滿足298.31A負(fù)載電流要求。1.6海拔修正

高海拔地區(qū)（低壓電氣2000m以上）自然氣候條件主要為：①空氣密度及氣壓較低。②空氣溫度較低，溫度變化較大。③空氣絕對(duì)濕度小。④太陽(yáng)輻射強(qiáng)度較高。⑤土壤溫度較低，凍結(jié)期長(zhǎng)。

對(duì)于市場(chǎng)斷路器品牌來(lái)說(shuō)，每家斷路器廠家對(duì)于海拔降容數(shù)據(jù)有所不一。具體選型時(shí)可參照產(chǎn)品手冊(cè)對(duì)應(yīng)執(zhí)行即可，此處不做詳細(xì)介紹。

2 外部設(shè)計(jì)

2.1 匯流箱布置設(shè)計(jì)

一般匯流箱布置大體分為兩種方案：邊緣布置和居中布置。

如下圖所示，左側(cè)為匯流箱放置于最邊緣支架的立柱處，右側(cè)為匯流箱放置于中間支架的立柱處（靠近逆變器側(cè)）。若支架長(zhǎng)為X，寬為Y，支架與支架之間的間距為A。兩種方案電纜余量、敷設(shè)高度總計(jì)為B。

2.1.1 邊緣布置。路徑光伏線用量為:

2(X+3Y+3A)+2(X+2Y+2A)+2(X+Y+A)+2(3Y+3A+2Y+2A+Y+A)+15B=6X+24Y+24A+15B，考慮每個(gè)組串為正極和負(fù)極2種，因此1臺(tái)匯流箱電纜用量應(yīng)為12X+48Y+48A+30B。

圖1 匯流箱邊緣布置、居中布置示意圖

2.1.2 居中布置。路徑光伏線用量為：

2×[2(2Y+2A)+2(Y+A)+2(Y+A)]+15B=16Y+16A+15B，考慮每個(gè)組串為正極和負(fù)極2種，因此1臺(tái)匯流箱電纜用量應(yīng)為32Y+32A+30B。

由上述內(nèi)容可知，第一種邊緣布置方案光伏線纜用量最大，第二種居中布置光伏線纜用量最小。

2.2 16匯1/24匯1選型設(shè)計(jì)

2.2.1 16匯1直流匯流箱。16個(gè)組串接入1臺(tái)匯流箱，光伏線用量少，對(duì)于一個(gè)方陣而言匯流箱數(shù)量會(huì)增多。

匯流箱接入集中式逆變器時(shí)，所需要的塑殼斷路器數(shù)量增多。

2.2.2 24匯1直流匯流箱。24個(gè)組串接入1臺(tái)匯流箱，光伏線用量多，但匯流箱數(shù)量則會(huì)有所減少。

隨著市場(chǎng)組件功率不斷增大，額定輸出電流大，導(dǎo)致匯流箱出線電纜載流量過(guò)大。同時(shí)，受地形原因，組件支架分布不規(guī)則，光伏線敷設(shè)時(shí)盡可能集中敷設(shè)，建議以16匯1作為首選，并根據(jù)整體系統(tǒng)設(shè)計(jì)進(jìn)行修正優(yōu)化。

2.3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

以16匯1匯流箱、1500V直流系統(tǒng)為例，放入方陣系統(tǒng)中進(jìn)行匯流箱布置設(shè)計(jì)，考慮不同布置方案對(duì)應(yīng)的光伏線、穿線管、低壓出線電纜截面及長(zhǎng)度、電纜溝（或橋架）、路徑青賠等綜合考慮來(lái)判定系統(tǒng)成本大小。

比如，組件采用540Wp雙面組件，28塊組件為1串，每16串接入1臺(tái)16匯1匯流箱，每13～16個(gè)匯流箱通過(guò)鋁合金電纜ZRYJLHV22-1.8/3kV-2×150/184/240mm2直埋敷設(shè)至3.125箱逆變一體機(jī)。通過(guò)計(jì)算光伏區(qū)方陣所涉及成本費(fèi)用來(lái)確定最優(yōu)方案。

圖2 邊緣布置、居中布置方陣示意圖

3 結(jié)束語(yǔ)

一般以16匯1直流匯流箱、居中布置作為目前市場(chǎng)首選方案。根據(jù)市場(chǎng)價(jià)格具體修正方案模型，合理調(diào)整匯流箱本體材料、光伏線1×4、低壓電纜、青賠、材料安裝費(fèi)等價(jià)格，從而實(shí)現(xiàn)項(xiàng)目成本目標(biāo)控制。