无直流熔断器的组串逆变器存在安全陷阱

 1 引言

　　熔断器作为一种过电流保护器件，串联在电路中，可在系统出现短路故障时及时切断故障回路，保障系统安全，因此广泛应用于各种电气系统中，光伏系统直流侧保护也不例外。光伏系统直流侧一般由多个组串并联，无论是集中式还是组串式逆变器方案，使用熔断器作为直流侧过流保护已是行业内标准解决方案。近年来，部分厂家提出对于每路MPPT中仅有两路组串并联的组串式逆变器，直流侧不需要熔断器保护的观点。笔者通过对系统结构深入分析和IEC标准研究发现，该系统中如果没有熔断器等过流保护器件存在巨大的安全隐患，也不符合IEC62548《光伏阵列设计要求》。

2 两组串并联系统无熔断器保护的风险分析

2.1 两组串并联系统等效电路

　　两组串并联系统等效电路如图1(a)所示，系统由多路MPPT输入回路组成，每路MPPT接两路组串，各光伏组串通过Boost升压电路后并联在一起，前级Boost升压电路一般都并联旁路元件，目的是当电压升高后将Boost升压电路旁路，提高系统的效率。

图1 两组串并联系统等效电路

　　当Boost升压电路工作时，Boost升压电路在串联回路中可等效为一个电感和二极管，如图1(b)所示。当Boost升压电路不工作时，电流将流过旁路元件，如图1(c)所示。当仅仅分析电路反向电流阻挡特性时，无论Boost升压电路工作还是不工作，电路都可简化等效成如图1(d)所示的等效电路，即光伏组串与逆变器直流母线之间等效为二极管连接。

　　针对图1所示的逆变系统，部分厂家提出由于每路MPPT中仅有两路组串并联，即使其中一个组串发生短路，短路电流仅仅在两个组串之间流动，其他组串和直流侧能量由二极管反向阻断，不会对组件造成损坏，因此直流侧不需要熔断器保护。然而笔者通过分析发现，该系统中如果没有熔断器等过流保护器件存在巨大的安全隐患，也不符合IEC62548要求。

2.2 风险1：短路点出现拉弧时，增大火灾隐患

　　对于1000V光伏直流系统，当直流侧由于绝缘破损、接头松动等短路现象时，如果没有熔断器及时切断故障回路，将持续产生拉弧，电弧在空气中自由燃弧时电流可达200A以上[1]，增大了火灾发生的隐患，甚至可能超过组件和线缆的耐受能力，引起组件和线缆损坏。

2.3 风险2：某些过载工况下下存在安全隐患

　　NEC690标准[2]中提到了两种过载情况，一种情况是在某种云覆盖的条件下，云就相当于放大镜，并把阳光聚焦在光伏阵列上，光照强度比全日照时最多可高出25%，即直流输入在ISC上增加了25%的电流，另一种情况是基于最大光伏电流是连续流动的假设，在连续运行条件下，直流输入须额外增加25%。因此，最终结果是，对于任何光伏源支路或者汇集单条源支路电流的光伏输出电路，电路的载流容量大于125%ISC的125%，即相乘得出ISC的156%。对于高温的屋顶光伏电站，环境温度达到60℃时，导线的降容因子为0.41，即直流导线载流能力大大减小，如果发生短路并持续一段时间，而又无熔断器等过流保护器件来断开故障回路，将导致线缆燃烧的风险加大，引发火灾。

2.4 风险3：二极管作为保护器件不符合标准要求

　　二极管的失效模式一般是短路状态，根据图1(d)所示的两组串并联系统等效电路不难发现，在某路MPPT的二极管损坏情况下，该路MPPT的组串相当于与其余4路组串直接并联，即组串并联数量变成6串，根据IEC62548《光伏阵列设计要求》[3]内给出的判断公式，一般情况下ISC-MOD在9A左右，IMOD-MAX-OCPR等于15A，因此，当SA=6时判断公式为(6－1)×9＞15成立，需配置过流保护器件。过流保护器件可以采用断路器或熔断器，目前主流逆变器厂家通常采用熔断器作为过流保护器件。

　　注：SA代表组串并联数量，ISC-MOD代表光伏组件短路电流，IMOD-MAX-OCPR代表光伏组件最大过电流保护额定值。

如果没有熔断器等过流保护器件，当系统发生短路故障时根本无法阻止其他组串的能量以及逆变器直流母线和电网能量流向短路点，可能造成组件和线缆的损坏，甚至引起火灾。如图2所示。

图2 两组串并联系统发生短路时的电流流向

　　IEC62548中也做了明确规定：“由于二极管的失效模式一般呈短路状态，在某些国家二极管不能用于过电流保护”。可见，二极管作为保护器件是不符合标准要求，二极管无法替代熔断器等过流保护器件。

3 结论

　　对于每路MPPT中仅有两路组串并联的组串式逆变器，如果直流侧没有熔断器等保护器件，当短路点出现拉弧或在某些特殊环境条件下，可能会造成组件和线缆损坏，甚至引起火灾。同时IEC62548中也明确指出：二极管失效模式为短路状态，在某些国家二极管不能用于过电流保护。基于二极管反向阻断原理的保护方式，不符合相关标准的要求。

　　因此，对于每路MPPT中仅有两路组串并联的组串式逆变器，直流侧输入端仍需使用熔断器等过流保护器件，否则系统将存在巨大的安全隐患。

参考文献：
[1] 贺湘琰，李靖．电器学[M]．北京：机械工业出版社，2012．
[2] Roger A.Messenger，Jerry Ventre．Photovoltaic Systems Engineering[M]．
[3] IEC/TS 62548-2013，Photovoltaic(PV) arrays – Design requirements[S]．

文章作者：河南同力电力设计有限公司 李鹏