应对直流1500V电压系统,光伏逆变器设计思路详解

德国莱茵tuv 应对直流1500V电压系统,光伏逆变器设计思路详解
2017年5月10日 | 能源技术

戴建伟

TÜV莱茵大中华区太阳能及燃料电池技术服务部 副经理

 

2016年,中国以突破34GW的年总装机量连续四年领跑全球光伏市场。除了炙手可热的装机热潮以外,业界也在不断探讨,如何以更先进的技术让光伏的发电成本持续下降,同时优化发电效率。直流1500V电压系统相比常规的1000V系统,可以减少直流侧组串数,从而减少光伏电缆用量和直流汇流箱数量,降低直流线路损耗,减少安装成本。同时,电流不变的前提下提升电压,意味着汇流箱、逆变器等电气设备单位功率密度的提高,从系统上降低光伏发电成本,提高系统发电效率。从全球市场来看,北美和欧洲的大部分系统也正逐步向直流1500V递进。

那么,直流1500V系统对光伏逆变器及其他核心部件设计提出了怎样的技术挑战?器件制造商该如何应对?TÜV莱茵大中华区太阳能及燃料电池技术服务经理戴建伟先生就此话题为业界提供了应对思路和解决方案。

 

直流1000V和1500V系统要求,差异在哪里?

IEC/EN 62109-1/2标准具体规范了光伏逆变器的安全要求,涉及七大危害防护:电气、机械、过温、防火、化学、噪声、液体气体爆炸危险。直流1000V和1500V系统安全设计要求的区别主要集中在电气安全。

标准规定,安全可触及部分和危险电压部分必须要有可靠的防护以确保安全。防护方式有以下4种:

  • 隔离防护
  • 高阻防护
  • 限压防护
  • 接地保护

那么,相对于1000V系统,怎样的防护才能满足1500V系统的要求?

隔离防护是利用电气间隙和爬电距离来阻隔危险电压对人接触安全可触及部分时造成的触电危险,是电气安全防护中常用且可靠的方式。

TÜV莱茵指出,在电气间隙的要求上直流1000V和1500V没有差异。但是,直流1500V系统的爬电距离要求比1000V系统提高较多,对现有的逆变器及相关器件的安全设计造成一定挑战,详见下表:

 

针对爬电距离要求升级的安全防护设计解决方案

爬电距离的提升对逆变器及器件制造商来说是个很大的挑战,有没有好的办法可以解决?TÜV莱茵提出了一种有效的解决方案:

标准明确定义了影响爬电距离的四大因素:污染等级、工作电压、绝缘材料组别和绝缘类型。其中降低污染等级可以大幅降低爬电距离的限值要求,是可以满足标准要求的可行措施,而灌胶与涂层就是降低污染等级的有效手段。

使用灌胶与涂层后,改变非常明显。从下表可以看到,由于污染等级从2类变为1类在直流1500V系统中,基本绝缘和加强绝缘的限值分别从之前的15mm和30mm降到了5.2mm和10.4mm。

评估灌胶与涂层的关键测试有哪些?

根据IEC 60664-3,评估灌胶与涂层有以下关键测试:

  • 目检。这不是纯粹依靠肉眼就能完成,测试需要将PCB板放大10倍后,检查灌胶与涂层材料是否有膨胀、起泡、裂痕、与底部基材脱离等不满足要求的情况;
  • 低温测试:-25℃,或以产品说明书定义的最低使用温度,持续96个小时;
  • 干热测试:125℃,或以产品说明书定义的最低使用温度,持续1000小时;
  • 快速温变测试:50个循环/单个循环1小时/温变速度≤30秒;
  • 静态电压下的湿热测试:40℃/93%湿度、持续时间96小时;
  • 附着力测试:考核涂层与PCB板基材的结合程度;
  • 潮态处理:40℃/93%湿度、持续48小时;
  • 绝缘电阻测试;
  • 耐压测试;

 

(灌胶与涂层的测试项目)

 

如果能够顺利通过测试,则可以认定该灌胶与涂层符合标准要求。

TÜV莱茵指出,提高绝缘材料组别也是降低爬电距离限值要求的另一种方式,但此种方式存在以下问题:

1.高组别的绝缘材料对厂商来说意味着更高的成本;

2.逆变器结构复杂,涉及的绝缘材料多种多样,如采用随机测试的方式进行验证,需要提供标准试样的种类和数量较多,一些元件的绝缘材料试样比较难以获得,例如光耦;

3.即便所有种类的绝缘材料全部符合了所要求的绝缘组别要求,一旦厂商需要更换某个涉及绝缘的零部件,新增的可选零部件仍需提供绝缘试样进行随机测试;

4.即使采用最高组别的绝缘材料CTI ≥600,其对应的爬电距离限值仍高于污染等级为1时的爬电距离要求,达到基本绝缘5mm和加强绝缘15mm;

相比较而言,采取降低污染等级的方式,虽然前期认证成本较高,但对厂商而言,后期的维护成本较低,增加的成本只涉及灌胶/涂层的材料,不影响其它元器件的更换。

直流1500V系统中的零部件选择要求

TÜV莱茵指出所有的相关器件需要具备IEC或EN相关标准的TÜV或相关认证,额定工作电压必须符合直流1500V的规格要求。以下是分别针对防雷装置、直流侧保险丝、直流侧断路器所进行的总结:

防雷装置:

 

直流侧保险丝:

 

直流侧断路器:

厂商应选择与系统电压相符的认证零部件。

除此以外,TÜV莱茵还特别提出直流1500V系统还需要非常重视以下问题:例如直流拉弧和PID防护等。

 

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