分布式光伏发电系统断路器的选型方案浅析

分布式光伏发电系统断路器的选型方案浅析

徐永富

上海诺雅克电气有限公司（上海） 201600

摘要：在太阳能光伏发电系统中，配电系统的保护断路器选取往往被低估，其选择应严格依照配电系统稳定运行的需求。不恰当的断路器可能导致设备不断自动断开、过热损害乃至引发火灾事故。因此文章结合实例，重点分析了分布式光伏发电系统断路器的选型方案，仅供参考。

关键词：分布式光伏发电系统；断路器；选型方案

如今，我国坚定推行双碳战略，推崇环保生产及能耗降低，电力行业需紧跟政府政策，响应这一背景，国家电网已颁布了针对分布式光伏电力的详细管理措施，为分布式光伏的应用提供了坚实的框架。据统计数据显示，我国每年新增的分布式光伏电站数量持续增长，总的发电量也在不断提升，这不仅有效响应了社会经济对电力的需求，还减少了对传统能源的过度依赖。在太阳能电力系统中，对于配电保护的断路器挑选，务必重视，务求匹配配电系统的可靠性标准。

1分布式光伏系统概述

分布式光伏发电是一种策略，旨在最大化利用当地太阳能资源以逐步减小对化石燃料的依赖。这种发电方式主要涉及在用户周边建立能与配电网络协同运作的光伏设施。确保分布式光伏发电需依据就地取材、清洁高效和就近消耗的原则，以增强电网连接的安全性和稳定性。作为一种创新且潜力无限的能源整合模式，光伏发电广泛应用于各种场景，有效降低了能源成本，防止了能源损失。

2分布式光伏发电技术特性

2.1输出功率小

分布式光伏系统的装机容量通常限制在几千瓦的范围内。与大型集中式电站相比，光伏系统的规模对其发电效率的影响微乎其微，因此能减小对经济收益的潜在不利影响。

2.2无污染

光伏发电技术利用清洁的太阳能资源，发电过程中几乎不产生任何环境污染，环保优势显著。

2.3发、用电同时进行

分布式光伏系统能够直接并入电网，与供电网络无缝对接，允许发电和用电同时进行，有利于就地消耗所发电力。

2.4能量密度低

这有助于减轻某些区域的电力短缺问题。然而，值得注意的是，该技术的单位面积发电能量不高，大约每平方米的发电功率只有100W/m2左右。

2.5波动性、时段性较强

分布式光伏发电技术主要依赖于太阳能源，故其发电特性表现出显著的不规则性和时间依赖性。由于受到当地气象条件、日照强度、四季更迭以及温度等自然条件的直接影响，光伏电力输出呈现出明显的波动性，通常在白天尤其是中午时分功率输出较高，而夜晚则完全无发电能力，无法确保连续稳定的电力供应。此外，由于分布式光伏系统的规模小，占地面积有限，它们对当天的气温和云层覆盖程度等环境变化极为敏感，这些不可预见的因素进一步加剧了光伏发电输出的不稳定性。

2.6出力满发概率小

分布式太阳能发电技术因其固有的不确定性，如变异性、间歇性和时间依赖性，导致电站实现全额发电的可能性微乎其微。一般而言，分布式光伏系统的产出功率往往只达到安装容量的50%左右。

2.7具有正调峰特性

在白天，这种发电方式的互补性较好，具备正向峰谷调节特性；然而，夜间时，由于太阳能源的缺失，光伏系统无法有效供电，而此时恰逢居民用电高峰期，因此无法有效缓解电网的负荷压力。

2.8对电力系统要求较高

分布式光伏电源不能连续为电网贡献旋转惯量，并缺乏传统发电机的频率下降响应功能，即无法提供一次频率调节。此外，光伏系统的波动特性和预测误差不可避免地增加了对电网二次和三次频率调节的挑战。

3分布式光伏发电系统断路器选型的影响因素

在光伏系统内，断路器的选取考量多个要素：①电气特性是关键，涉及太阳能电池组件在直流部分的电压和功率级别，以及电网连接端的电压水平和频率标准；②安装环境不容忽视，包括设置地点的气温条件和海拔高度等环境特性；③并网功率的大小和不同类型的负载需求也是决定因素。

3.1断路器应用的环境温度

断路器在光伏发电系统中的选用，首要考量的因素即是环境温度，因为它直接影响断路器在该系统中的稳定运行。依据现场的环境温度和系统电流的规模，光伏发电系统需精准选取适宜的断路器，以防止因断路器额定值不足导致的误动作，进而保障光伏发电系统运行的不间断性。

3.2并排安装断路器对温升的影响

大型太阳能光伏电站配备有多台逆变器，其配电柜内常常并排设置了一系列断路器，它们共同承载峰值电流，这使得断路器的工作温度彼此间的影响显著增强，可能导致不必要地提前跳闸。故而，当光伏系统采取多断路器并联配置时，务必顾及断路器的降额修正因素。

3.3海拔因素的影响

我国的太阳能富集区域主要集中在海拔2000m以上的西部地区，这些地域特有的高压低气温环境对低压电器的运用构成了挑战。由于海拔上升带来的气压和温度变化，低压电器在运行中会遭遇散热效能减弱的问题。尤其对于断路器而言，随着海拔的升高，其承载电流的能力显著下滑。此外，高原地区的低气压和稀薄空气不仅延长了电器断开后的电弧熄灭时间，还加重了触头的磨损，限制了接通和分断性能。电气寿命作为衡量产品性能的关键指标，受触头操作频率、短路分断能力以及灭弧效率等因素共同影响。在高海拔环境中，未经过降容设计的产品，其温升上升和接通分断功能的下降会对电气寿命产生负面影响。然而，通过实施降容策略，这些问题得以缓解，产品的电气寿命得以保持稳定。因此，针对光伏电站应用的低压配电断路器，必须考虑到海拔因素并进行降容配置。

3.4断路器的保护曲线类型

当将光伏发电系统接入电网时，选择适当并网断路器至关重要，需考虑电网内负载特性及设备配置，以确保其稳定运行且不会因电流和电压波动引发故障。

4分布式光伏发电系统断路器的选型方案

4.1 基本概况

由六个SG33CX-P2-CN型光伏逆变器组成的电站，探讨如何合理选定配电断路器的热额定值，以适应这种并联运行模式。这些逆变器的输出性能信息可在SG33CX-P2-CN逆变器的手册中找到，其中的最大输出电流为55.2A。假设选用的铜质电缆（直径10mm²）具备优良的电气性能，理论上可以承载66A的额定电流。

4.2 选型思路

若选取的示例系统不含电机或变压器等设备，依据55.2A的计算电流，我们挑选了63A的断路器，其热保护特性遵循C型曲线，并且断路器间无间隔。参照光伏系统的断路器选择准则，我们将通过计算评估选定断路器的适用性。（1）为了确保元件的可靠性和延长寿命，若光伏系统在满载运行超过一小时，断路器的负载因子应降至0.9。（2）若单个断路器运作或各断路器间的间距充足，选用的因子为1。考虑光伏发电系统的经济性和空间配置，通常会采用紧密并排的安装方法，以缩减配电柜的体积。当6个断路器紧密相邻安装时，降额系数设为0.75。（3）鉴于环境温度为40℃的情况，断路器的额定电流降额系数可取1。

通过综合评估这三个关键参数，我们可以确定断路器在无故障状态下能承载的最大持续电流容量。

I=63×0.9×0.75×1.0=42.525A

计算结果显示，断路器理论上的无故障承载电流显著低于光伏逆变器的最大工作输出电流55.2A，这表明原选63A额定电流的断路器显然不适用。

4.3 选型方案

为了确保系统的有效运行，应考虑提升至80A的额定值，同时保证断路器之间的散热空间充足，例如保持至少10mm以上的间距。在这种条件下，断路器的最大承载能力将达到64.8A（I=80A×0.9×0.9=64.8A），超过了逆变器的工作电流需求。因此，在正常操作范围内，选用80A的断路器不仅能确保稳定运行，还能防止不必要的跳闸事件发生。

总之， 光伏系统一直在追求热能平价，而成本是一个很大的考虑因素。上述方案中的断路器能够在逆变发电系统中平稳运行。从实际运行效果来看，所选方案是可行的。

参考文献

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