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1 引言
熔斷器作為一種過電流保護器件，串聯在電路中，可在系統出現短路故障時及時切斷故障回路，保障系統安全，因此廣泛應用于各種電氣系統中，光伏系統直流側保護也不例外。光伏系統直流側一般由多個組串并聯，無論是集中式還是組串式逆變器方案，使用熔斷器作為直流側過流保護已是行業內標準解決方案。近年來，部分廠家提出對于每路MPPT中僅有兩路組串并聯的組串式逆變器，直流側不需要熔斷器保護的觀點。筆者通過對系統結構深入分析和IEC標準研究發現，該系統中如果沒有熔斷器等過流保護器件存在巨大的安全隱患，也不符合IEC62548《光伏陣列設計要求》。
2 兩組串并聯系統無熔斷器保護的風險分析
2.1 兩組串并聯系統等效電路
兩組串并聯系統等效電路如圖1(a)所示，系統由多路MPPT輸入回路組成，每路MPPT接兩路組串，各光伏組串通過Boost升壓電路后并聯在一起，前級Boost升壓電路一般都并聯旁路元件，目的是當電壓升高后將Boost升壓電路旁路，提高系統的效率。
圖1 兩組串并聯系統等效電路
當Boost升壓電路工作時，Boost升壓電路在串聯回路中可等效為一個電感和二極管，如圖1(b)所示。當Boost升壓電路不工作時，電流將流過旁路元件，如圖1(c)所示。當僅僅分析電路反向電流阻擋特性時，無論Boost升壓電路工作還是不工作，電路都可簡化等效成如圖1(d)所示的等效電路，即光伏組串與逆變器直流母線之間等效為二極管連接。
針對圖1所示的逆變系統，部分廠家提出由于每路MPPT中僅有兩路組串并聯，即使其中一個組串發生短路，短路電流僅僅在兩個組串之間流動，其他組串和直流側能量由二極管反向阻斷，不會對組件造成損壞，因此直流側不需要熔斷器保護。然而筆者通過分析發現，該系統中如果沒有熔斷器等過流保護器件存在巨大的安全隱患，也不符合IEC62548要求。
2.2 風險1：短路點出現拉弧時，增大火災隱患
對于1000V光伏直流系統，當直流側由于絕緣破損、接頭松動等短路現象時，如果沒有熔斷器及時切斷故障回路，將持續產生拉弧，電弧在空氣中自由燃弧時電流可達200A以上[1]，增大了火災發生的隱患，甚至可能超過組件和線纜的耐受能力，引起組件和線纜損壞。
2.3 風險2：某些過載工況下下存在安全隱患
NEC690標準[2]中提到了兩種過載情況，一種情況是在某種云覆蓋的條件下，云就相當于放大鏡，并把陽光聚焦在光伏陣列上，光照強度比全日照時最多可高出25%，即直流輸入在ISC上增加了25%的電流，另一種情況是基于最大光伏電流是連續流動的假設，在連續運行條件下，直流輸入須額外增加25%。因此，最終結果是，對于任何光伏源支路或者匯集單條源支路電流的光伏輸出電路，電路的載流容量大于125%ISC的125%，即相乘得出ISC的156%。對于高溫的屋頂光伏電站，環境溫度達到60℃時，導線的降容因子為0.41，即直流導線載流能力大大減小，如果發生短路并持續一段時間，而又無熔斷器等過流保護器件來斷開故障回路，將導致線纜燃燒的風險加大，引發火災。
2.4 風險3：二極管作為保護器件不符合標準要求
二極管的失效模式一般是短路狀態，根據圖1(d)所示的兩組串并聯系統等效電路不難發現，在某路MPPT的二極管損壞情況下，該路MPPT的組串相當于與其余4路組串直接并聯，即組串并聯數量變成6串，根據IEC62548《光伏陣列設計要求》[3]內給出的判斷公式，一般情況下ISC-MOD在9A左右，IMOD-MAX-OCPR等于15A，因此，當SA=6時判斷公式為(6－1)×9＞15成立，需配置過流保護器件。過流保護器件可以采用斷路器或熔斷器，目前主流逆變器廠家通常采用熔斷器作為過流保護器件。
注：SA代表組串并聯數量，ISC-MOD代表光伏組件短路電流，IMOD-MAX-OCPR代表光伏組件最大過電流保護額定值。
如果沒有熔斷器等過流保護器件，當系統發生短路故障時根本無法阻止其他組串的能量以及逆變器直流母線和電網能量流向短路點，可能造成組件和線纜的損壞，甚至引起火災。如圖2所示。
圖2 兩組串并聯系統發生短路時的電流流向
IEC62548中也做了明確規定：“由于二極管的失效模式一般呈短路狀態，在某些國家二極管不能用于過電流保護”。可見，二極管作為保護器件是不符合標準要求，二極管無法替代熔斷器等過流保護器件。
3 結論
對于每路MPPT中僅有兩路組串并聯的組串式逆變器，如果直流側沒有熔斷器等保護器件，當短路點出現拉弧或在某些特殊環境條件下，可能會造成組件和線纜損壞，甚至引起火災。同時IEC62548中也明確指出：二極管失效模式為短路狀態，在某些國家二極管不能用于過電流保護。基于二極管反向阻斷原理的保護方式，不符合相關標準的要求。
因此，對于每路MPPT中僅有兩路組串并聯的組串式逆變器，直流側輸入端仍需使用熔斷器等過流保護器件，否則系統將存在巨大的安全隱患。
參考文獻：
[1] 賀湘琰，李靖．電器學[M]．北京：機械工業出版社，2012．
[2] Roger A.Messenger，Jerry Ventre．Photovoltaic Systems Engineering[M]．
[3] IEC/TS 62548-2013，Photovoltaic(PV) arrays – Design requirements[S]．
熔斷器作為一種過電流保護器件，串聯在電路中，可在系統出現短路故障時及時切斷故障回路，保障系統安全，因此廣泛應用于各種電氣系統中，光伏系統直流側保護也不例外。光伏系統直流側一般由多個組串并聯，無論是集中式還是組串式逆變器方案，使用熔斷器作為直流側過流保護已是行業內標準解決方案。近年來，部分廠家提出對于每路MPPT中僅有兩路組串并聯的組串式逆變器，直流側不需要熔斷器保護的觀點。筆者通過對系統結構深入分析和IEC標準研究發現，該系統中如果沒有熔斷器等過流保護器件存在巨大的安全隱患，也不符合IEC62548《光伏陣列設計要求》。
2 兩組串并聯系統無熔斷器保護的風險分析
2.1 兩組串并聯系統等效電路
兩組串并聯系統等效電路如圖1(a)所示，系統由多路MPPT輸入回路組成，每路MPPT接兩路組串，各光伏組串通過Boost升壓電路后并聯在一起，前級Boost升壓電路一般都并聯旁路元件，目的是當電壓升高后將Boost升壓電路旁路，提高系統的效率。
圖1 兩組串并聯系統等效電路
當Boost升壓電路工作時，Boost升壓電路在串聯回路中可等效為一個電感和二極管，如圖1(b)所示。當Boost升壓電路不工作時，電流將流過旁路元件，如圖1(c)所示。當僅僅分析電路反向電流阻擋特性時，無論Boost升壓電路工作還是不工作，電路都可簡化等效成如圖1(d)所示的等效電路，即光伏組串與逆變器直流母線之間等效為二極管連接。
針對圖1所示的逆變系統，部分廠家提出由于每路MPPT中僅有兩路組串并聯，即使其中一個組串發生短路，短路電流僅僅在兩個組串之間流動，其他組串和直流側能量由二極管反向阻斷，不會對組件造成損壞，因此直流側不需要熔斷器保護。然而筆者通過分析發現，該系統中如果沒有熔斷器等過流保護器件存在巨大的安全隱患，也不符合IEC62548要求。
2.2 風險1：短路點出現拉弧時，增大火災隱患
對于1000V光伏直流系統，當直流側由于絕緣破損、接頭松動等短路現象時，如果沒有熔斷器及時切斷故障回路，將持續產生拉弧，電弧在空氣中自由燃弧時電流可達200A以上[1]，增大了火災發生的隱患，甚至可能超過組件和線纜的耐受能力，引起組件和線纜損壞。
2.3 風險2：某些過載工況下下存在安全隱患
NEC690標準[2]中提到了兩種過載情況，一種情況是在某種云覆蓋的條件下，云就相當于放大鏡，并把陽光聚焦在光伏陣列上，光照強度比全日照時最多可高出25%，即直流輸入在ISC上增加了25%的電流，另一種情況是基于最大光伏電流是連續流動的假設，在連續運行條件下，直流輸入須額外增加25%。因此，最終結果是，對于任何光伏源支路或者匯集單條源支路電流的光伏輸出電路，電路的載流容量大于125%ISC的125%，即相乘得出ISC的156%。對于高溫的屋頂光伏電站，環境溫度達到60℃時，導線的降容因子為0.41，即直流導線載流能力大大減小，如果發生短路并持續一段時間，而又無熔斷器等過流保護器件來斷開故障回路，將導致線纜燃燒的風險加大，引發火災。
2.4 風險3：二極管作為保護器件不符合標準要求
二極管的失效模式一般是短路狀態，根據圖1(d)所示的兩組串并聯系統等效電路不難發現，在某路MPPT的二極管損壞情況下，該路MPPT的組串相當于與其余4路組串直接并聯，即組串并聯數量變成6串，根據IEC62548《光伏陣列設計要求》[3]內給出的判斷公式，一般情況下ISC-MOD在9A左右，IMOD-MAX-OCPR等于15A，因此，當SA=6時判斷公式為(6－1)×9＞15成立，需配置過流保護器件。過流保護器件可以采用斷路器或熔斷器，目前主流逆變器廠家通常采用熔斷器作為過流保護器件。
注：SA代表組串并聯數量，ISC-MOD代表光伏組件短路電流，IMOD-MAX-OCPR代表光伏組件最大過電流保護額定值。
如果沒有熔斷器等過流保護器件，當系統發生短路故障時根本無法阻止其他組串的能量以及逆變器直流母線和電網能量流向短路點，可能造成組件和線纜的損壞，甚至引起火災。如圖2所示。
圖2 兩組串并聯系統發生短路時的電流流向
IEC62548中也做了明確規定：“由于二極管的失效模式一般呈短路狀態，在某些國家二極管不能用于過電流保護”。可見，二極管作為保護器件是不符合標準要求，二極管無法替代熔斷器等過流保護器件。
3 結論
對于每路MPPT中僅有兩路組串并聯的組串式逆變器，如果直流側沒有熔斷器等保護器件，當短路點出現拉弧或在某些特殊環境條件下，可能會造成組件和線纜損壞，甚至引起火災。同時IEC62548中也明確指出：二極管失效模式為短路狀態，在某些國家二極管不能用于過電流保護。基于二極管反向阻斷原理的保護方式，不符合相關標準的要求。
因此，對于每路MPPT中僅有兩路組串并聯的組串式逆變器，直流側輸入端仍需使用熔斷器等過流保護器件，否則系統將存在巨大的安全隱患。
參考文獻：
[1] 賀湘琰，李靖．電器學[M]．北京：機械工業出版社，2012．
[2] Roger A.Messenger，Jerry Ventre．Photovoltaic Systems Engineering[M]．
[3] IEC/TS 62548-2013，Photovoltaic(PV) arrays – Design requirements[S]．
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