碳中和大勢下，光伏必將快速發(fā)展；與此同時，隨著組件電流提升、逆變器或匯流箱容量不斷增加，以及“光伏+”的應(yīng)用場景復(fù)雜多樣化，電站安全的問題已經(jīng)越來越突出。
然而由于光伏電池板短路容量小的固有特性，傳統(tǒng)的配電保護器件在光伏系統(tǒng)中無法可靠保護系統(tǒng)安全。讓人欣慰的是這一突出問題近期已經(jīng)得到華為、陽光、鑒衡以及部分大型發(fā)電集團等頭部企業(yè)高度關(guān)注，并給出了相應(yīng)的較好的解決方案。
但是近期有文章討論智能組串分斷技術(shù)，其中對智能組串分斷的概念、技術(shù)以及標(biāo)準(zhǔn)的理解都存在偏差甚至錯誤的地方，在這里筆者結(jié)合行業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)、實際應(yīng)用、行業(yè)專家意見及幾十年經(jīng)驗積累，從客觀角度詳細分析有關(guān)這幾類保護技術(shù)，以供參考，歡迎行業(yè)同仁一起探討交流。
文丨過孝剛
一、“智能組串分斷“本質(zhì)上是通過斷路器技術(shù)實現(xiàn)過流保護
經(jīng)過筆者了解，“智能組串分斷“技術(shù)采用的是斷路器過流保護技術(shù)，其符合IEC60947.2和GB14048.2標(biāo)準(zhǔn)，不是某些文章中所錯誤理解的隔離開關(guān)。(備注：隔離開關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)為IEC60947.3和GB14048.3，可以實現(xiàn)負載的接通分斷與隔離，沒有過電流保護功能；而斷路器可以實現(xiàn)負載的分斷與隔離及其回路過電流的保護）。該系統(tǒng)的過電流檢測和控制裝置采用的是更為先進的“電子式脫扣器”，不是傳統(tǒng)的熱磁式脫扣器。“電子式脫扣器”已有幾十年的歷史， 廣泛應(yīng)用于萬能式斷路器、高端的塑殼斷路器及其中高壓斷路器中，這些產(chǎn)品對可靠性具有更高的要求。“智能組串分斷”技術(shù)的創(chuàng)新性在于將用于高端產(chǎn)品的具有“電子脫扣器”的斷路器引入到光伏組串的反灌保護和光伏逆變器的內(nèi)部故障保護中，大大提升了可靠性，解決了行業(yè)的痛點。
二、 具有“電子式脫扣器”的斷路器技術(shù)更靈活可靠， 已在行業(yè)中廣泛使用
電子式斷路器具有檢測精度高、可靠性高、智能化等優(yōu)勢，在光伏行業(yè)、配電行業(yè)廣泛使用，相比熔絲和熱磁式斷路器，在比較復(fù)雜的自然環(huán)境下，是一種更可靠的保護裝置。
2.1 熱磁式和電子式斷路器對比分析
2.1.1 熱磁式斷路器的保護原理
圖一：熱磁式斷路器內(nèi)部原理圖
以一個熱磁式斷路器來說，圖一中“熱脫扣器”一般采用雙金屬片設(shè)計，熱雙金屬是由兩種或兩種以上不同膨脹系數(shù)的金屬或合金沿整個接觸面牢固復(fù)合在一起，是具有隨溫度變化而發(fā)生形狀變化的復(fù)合功能材料。當(dāng)回路電流發(fā)生過負荷時（一般是額定電流的1.45~5倍），因為電流增大，導(dǎo)致雙金屬片的溫度升高，此時雙金屬片發(fā)生變形，觸發(fā)相鄰的分閘機構(gòu)動作，斷路器動靜觸頭打開，完成分閘。這種“熱脫扣器”結(jié)構(gòu)簡單，價格便宜。但也有其自身的缺點，觸發(fā)其動作不光與回路的電流有關(guān)，也與周圍的環(huán)境溫度有關(guān)。以一個32A的斷路器來說，其額定電流通常是在25度的環(huán)境溫度下設(shè)定，如果環(huán)境溫度為70度，此時額定的電流可能只有20A左右；如果環(huán)境溫度降低到-40度，此時額定電流的電流又會提高到40A左右。如果該斷路器工作于在一個年溫度變化很大的地方，其額定電流是很難整定的，存在誤動或者不動的可能。
上圖中的“磁脫扣器”，采用螺旋管式設(shè)計，當(dāng)短路電流流過時，變化的電流產(chǎn)生磁場，驅(qū)動動鐵芯運動，觸發(fā)分閘機構(gòu)，斷路器完成分閘。磁脫扣器結(jié)構(gòu)簡單，被大量用于終端配電的斷路器。但基于其結(jié)構(gòu)，其也有如下缺點：在要求具有短路耐受的場合（標(biāo)準(zhǔn)中定義的“B”類斷路器， 通常在配電的上級，靠近變壓器出口端），是比較難采用該脫扣器的，另外受制于電磁鐵的設(shè)計，該脫扣器的最小脫扣電流一般為額定電流的3~5倍。
2.1.2 電子式斷路器保護原理
電子式斷路器應(yīng)用普遍，在各種配電和光伏應(yīng)用場景，均會采用電子式脫扣器，且完全符合IEC 60947.2標(biāo)準(zhǔn)。其原理如下圖所示：
圖二：電子脫扣器原理框圖
當(dāng)電流檢測單元檢測到電流互感器的電流超過預(yù)設(shè)值時， 將相關(guān)信號送給控制器， 控制器給“彈簧/電磁機構(gòu)”驅(qū)動信號，分閘電磁鐵驅(qū)動彈簧操作機構(gòu)動作，從而控制斷路器分閘。從“電子脫扣器”的原理可以看出，其檢測準(zhǔn)確度，易于實現(xiàn)低壓電器的“數(shù)字化”，符合低壓電器數(shù)字化、智能化的趨勢。但電子脫扣器對設(shè)計、制造的水平要求也非常高， 業(yè)界大的電氣公司通常采用自主研發(fā)的模式來控制產(chǎn)品的可靠性和質(zhì)量。
2.1.3 電子式、熱磁式斷路器對比
表一 電子式、熱磁式斷路器對比
2.2 光伏場景中典型的電子式斷路器使用舉例及分析
以行業(yè)某主流集中式逆變器宣傳DataSheet中的電氣框圖舉例分析，其交流斷路器，直流開關(guān)均采用具有“電子脫扣器”的框架式斷路器或者開關(guān)。
舉例：當(dāng)逆變器內(nèi)部出現(xiàn)電壓、電流異常需要保護，或者電網(wǎng)異常等需要逆變器與電網(wǎng)脫離時，所有的電網(wǎng)脫網(wǎng)的動作都是通過DSP控制交流斷路器斷開；特別的，針對逆變器直流母線短路故障時，需要同時通知交流斷路器斷開、直流開關(guān)斷開。
圖三行業(yè)某主流集中式逆變器電氣圖
進一步的以該集中式集成一體化方案舉例分析，該逆變器對外的DataSheet中的電氣框圖包括直流輸入保護、逆變器輸出保護和中壓保護。其在輸出和中壓保護中均使用電子脫扣器開關(guān)。
A）逆變器輸出保護：其檢測電路全部由逆變器內(nèi)部的電流采樣、電壓采樣實現(xiàn)，當(dāng)DSP發(fā)現(xiàn)內(nèi)部故障后發(fā)送信號給到AC Breaker，通過AC Breaker脫網(wǎng)保護；
B）中壓輸出保護：由中壓環(huán)網(wǎng)柜內(nèi)的電流傳感器進行電流采樣，送到中壓綜保裝置進行電流信號分析處理，當(dāng)綜保檢測到故障時發(fā)送指令到中壓Circuit Breaker進行跳閘保護。
圖四集中式保護電路中采用電子斷路器
從上面集中式的保護電路及原理分析看，電子式斷路器（傳感器+DSP+斷路執(zhí)行）廣泛的使用在逆變器的總輸出保護、中壓保護等系統(tǒng)中。
三、具有“電子脫扣器”斷路器更適合光伏組串的保護， 保護更可靠
直流側(cè)的安全保護手段，傳統(tǒng)采用熔絲或普通直流開關(guān)等方案具有先天不足的問題；目前常規(guī)手段無法有效解決。交流側(cè)保護當(dāng)前已經(jīng)十分成熟，光伏直流側(cè)保護應(yīng)進一步加強。交流側(cè)短路時，短路電流來源于電網(wǎng)，短路電流高達幾十kA，斷路器能夠可靠、快速地分斷保護；然而光伏直流側(cè)短路電流來自于組件，一般最大僅為組件峰值電流的1.1倍，在光照不足的時候其短路電流甚至無法達到額定電流；由于而熔絲和普通斷路器可靠分斷都需要較大的短路電流，所以其不能快速分斷短路能量，大量的能量在短路點集聚，極易導(dǎo)致起火風(fēng)險。
對于光伏直流側(cè)的防護器件，下表對比傳統(tǒng)的熔斷器、 熱磁式斷路器以及“電子式脫扣器”的斷路器各方面的性能：
表二 各類型斷路器、熔斷器對比
從上表的對比明顯可以看出，“電子式脫扣器”的斷路器，無論從保護范圍，溫度適用性，長期可靠性，功耗方面都具有較大優(yōu)勢，因此對于光伏直流側(cè)的保護，其才是最合適的器件。
四、只有智能關(guān)斷，才能實現(xiàn)主動安全
基于可控的帶有自動脫扣裝置的直流分斷開關(guān)和數(shù)字化的組串級監(jiān)控，行業(yè)提出智能組串分斷概念。它具有：檢測精度高，響應(yīng)一致性好，響應(yīng)及時等特點。
借助于逆變器的組串級檢測和控制系統(tǒng)，結(jié)合直流分斷開關(guān)，整個系統(tǒng)滿足IEC 60947-2對于斷路器（circuit breaker）的認證標(biāo)準(zhǔn)。整個系統(tǒng)滿足IEC 62548 7.3.4對于過電流保護的基本理念和要求，多維度保護電站中直流電氣安全。
智能直流關(guān)斷功能的核心是：具有自動分斷能力的直流斷路器、組串級檢測功能的逆變器，如圖所示。
圖五 組串式智能直流關(guān)斷檢測原理示意圖
其工作原理是：逆變器對組串電流、母線電壓進行實時監(jiān)測，遭遇異常情況時，如組件反灌、內(nèi)部短路等，逆變器將發(fā)生組串電流將超出設(shè)定閾值、或內(nèi)部開關(guān)電路功能異常等不故障現(xiàn)象。通過數(shù)字化技術(shù)，軟件主動將“分閘信號”傳遞給直流開關(guān)；直流開關(guān)跳脫后可以有效斷開直流電流能量，避免光伏組件直流能量引起逆變器內(nèi)部的故障擴展。在極端失效模式下，如逆變器內(nèi)部短路時，直流分斷功能會進一步提高系統(tǒng)安全性。組件功率越大，輸入串?dāng)?shù)越多，短路電流越大，直流分斷功能的價值越大。
與傳統(tǒng)熔絲方案相比，智能直流分斷無需頻繁更換，檢測故障及時保護。同時，電子式監(jiān)控可以有效阻止在直流母線短路、設(shè)備內(nèi)部短路故障時直流組件能量向母線短路點/設(shè)備內(nèi)部的持續(xù)能量注入，避免故障擴散、極大的降低火災(zāi)的發(fā)生概率，且具有檢測精度好、保護一致性好，響應(yīng)及時受控。
五、被動安全到主動安全
智能關(guān)斷技術(shù)真正的價值在于實現(xiàn)了從被動安全到主動安全。通過技術(shù)創(chuàng)新，牢牢構(gòu)筑電站安全基石；防患于未然，才是真安全，我們呼吁行業(yè)更多廠家盡快推出相應(yīng)的分斷產(chǎn)品和解決方案，一起為光伏電站保駕護航。
（作者簡介：過孝剛，配電領(lǐng)域資深技術(shù)專家，現(xiàn)任大全集團凱帆電器技術(shù)顧問，曾就職于上海人民電器，負責(zé)配電相關(guān)技術(shù)工作，具有30多年的配電行業(yè)從業(yè)經(jīng)驗。）
