光伏系统直流汇流箱设计选型研究

吉帅

西安特变电工电力设计有限责任公司 陕西 西安 710110

引言

在光伏领域，目前组件电池片尺寸集中在182、210mm，其中182mm尺寸可暂定为540Wp+，210mm尺寸可暂定为640Wp+，而组件亦有单面、双面之分。在直流汇流箱选型时，涉及本体和外部设计两类。

1 汇流箱本体设计

直流汇流箱本体设计主要为输入回路数、直流熔断器、直流断路器、输入端子及壳体材质。

1.1 输入回路数

汇流箱输入回路数一般以16、18、20、22、24为主，其中16、24汇1较为常见。输入回路数与光伏整体系统设计息息相关。

1.2 直流熔断器

直流熔断器选型参见CGC/GF 037：2014 《光伏汇流设备技术规范》，规定在标准工况下，直流熔断器选型应按照1.5支路最大允许电流值来考虑[1]。组件采用双面时，背面增益一般根据组件离地高度、地表附着物来确定反射率和背面增益百分比，背面增益归集于组串电流暂定15%，即1.15倍。

光伏用1500V系统熔断器标称电流挡位一般为20A、25A、32A、35A、40A等。

1.2.1 以单面540Wp组件为例，Isc短路电流为13.86A，Imp最大功率点工作电流为12.97A。直流熔断器I1≥1.5×13.86=20.79A，直流熔断器可选择25A。

1.2.2 以双面540Wp组件为例，组件正面Isc短路电流为13.86A，Imp最大功率点工作电流为12.97A。直流熔断器I2≥1.5×13.86×1.15=23.91A，直流熔断器可选择25A。考虑有些地区光资源较好，地面反射率高时，建议标称选择32A。

1.2.3 以单面640Wp组件为例，Isc短路电流为18.34A，Imp最大功率点工作电流为17.3A。直流熔断器I1≥1.5×18.34=27.51A，直流熔断器可选择32A。

1.2.4 以双面640Wp组件为例，组件正面Isc短路电流为18.26A，Imp最大功率点工作电流为17.19A。直流熔断器I1≥1.5×18.26×1.15=31.5A，直流熔断器可选择32A。考虑有些地区光资源较好，地面反射率高时，建议标称选择35A。

其他型号组件可参考类同设计选型。

1.3 直流断路器

1500V系统断路器主要选择为塑壳断路器，其额定电流主要受到接入组串数量来决定。基于GB∕T 14048.2-2020 《低压开关设备和控制设备 第2部分：断路器》和CNCA-CTS-0001-2011A《光伏汇流设备技术规范》等国标、行标要求，考虑断路器额定电流应不小于1.25倍负载电流，本次计算不考虑海拔高度、电压波动、断路器产品手册温升值等因素，后期具体项目需予以参考修正[2]。

若选用16汇1汇流箱，组件选用540单面，则汇流箱出线负载电流最大值I1=16×12.97A=207.52A。按照1.25倍负载电流考虑，断路器额定电流I2≥1.25×207.52A=259.4A。因此断路器选型为额定电流320A（基于市场断路器产品档位规格）。

若选用16汇1汇流箱，组件选用540双面组件，则汇流箱出线负载电流最大值I1=16×12.97A×1.15=238.65A。按照1.25倍负载电流考虑，断路器额定电流I2≥1.25×238.65A=298.31A。因此断路器选型为额定电流320A（基于市场断路器产品档位规格）。

同理可推断24汇1汇流箱，以及选择640单面、双面组件所对应的断路器选型规格。

1.4 线缆接头

汇流箱接头有螺纹接头、MC4插头等。

1.4.1 螺纹接头：该结构插头较为常见。夹紧圈经特殊设计，拉力强，对点击不造成损伤。同时不需将固定头解体，电缆可直接穿入上紧即可，省时方便。

1.4.2 MC4插头：该结构插头成本相对较高。PPE材质居多，电缆接线时可自动锁扣插接，装拆简易，防水性能较好。在安装高度较大，水上作业时，一般可以推荐使用[3]。但采用该插头方案其光伏线引至汇流箱时，每串组件需要增加2个插头，有效与箱体插头进行无缝对接，导致工程系统成本进一步上升。

综合考虑，汇流箱本体结构设计时采用螺纹接头即可。

1.5 温升值修正

断路器一般对自身环境使用条件有所明确，以ABB产品为例，断路器工作环境温度范围-25°～70°，在40°时脱扣电流等于额定电流，不降容。超过40°时脱扣电流会降低，降容运行。

ABB断路器额定电流320A时，50°、60°、70°对应的脱扣电流为305A，285A，263A。额定电流400A时，对应的脱扣电流为380A、355A、325A。

若考虑70°运行不使断路器出现脱扣情况，在16汇1汇流箱（298.31A）电流情况下，断路器应选择400A才能满足298.31A负载电流要求。1.6海拔修正

高海拔地区（低压电气2000m以上）自然气候条件主要为：①空气密度及气压较低。②空气温度较低，温度变化较大。③空气绝对湿度小。④太阳辐射强度较高。⑤土壤温度较低，冻结期长。

对于市场断路器品牌来说，每家断路器厂家对于海拔降容数据有所不一。具体选型时可参照产品手册对应执行即可，此处不做详细介绍。

2 外部设计

2.1 汇流箱布置设计

一般汇流箱布置大体分为两种方案：边缘布置和居中布置。

如下图所示，左侧为汇流箱放置于最边缘支架的立柱处，右侧为汇流箱放置于中间支架的立柱处（靠近逆变器侧）。若支架长为X，宽为Y，支架与支架之间的间距为A。两种方案电缆余量、敷设高度总计为B。

2.1.1 边缘布置。路径光伏线用量为:

2(X+3Y+3A)+2(X+2Y+2A)+2(X+Y+A)+2(3Y+3A+2Y+2A+Y+A)+15B=6X+24Y+24A+15B，考虑每个组串为正极和负极2种，因此1台汇流箱电缆用量应为12X+48Y+48A+30B。

图1 汇流箱边缘布置、居中布置示意图

2.1.2 居中布置。路径光伏线用量为：

2×[2(2Y+2A)+2(Y+A)+2(Y+A)]+15B=16Y+16A+15B，考虑每个组串为正极和负极2种，因此1台汇流箱电缆用量应为32Y+32A+30B。

由上述内容可知，第一种边缘布置方案光伏线缆用量最大，第二种居中布置光伏线缆用量最小。

2.2 16汇1/24汇1选型设计

2.2.1 16汇1直流汇流箱。16个组串接入1台汇流箱，光伏线用量少，对于一个方阵而言汇流箱数量会增多。

汇流箱接入集中式逆变器时，所需要的塑壳断路器数量增多。

2.2.2 24汇1直流汇流箱。24个组串接入1台汇流箱，光伏线用量多，但汇流箱数量则会有所减少。

随着市场组件功率不断增大，额定输出电流大，导致汇流箱出线电缆载流量过大。同时，受地形原因，组件支架分布不规则，光伏线敷设时尽可能集中敷设，建议以16汇1作为首选，并根据整体系统设计进行修正优化。

2.3 系统设计

以16汇1汇流箱、1500V直流系统为例，放入方阵系统中进行汇流箱布置设计，考虑不同布置方案对应的光伏线、穿线管、低压出线电缆截面及长度、电缆沟（或桥架）、路径青赔等综合考虑来判定系统成本大小。

比如，组件采用540Wp双面组件，28块组件为1串，每16串接入1台16汇1汇流箱，每13～16个汇流箱通过铝合金电缆ZRYJLHV22-1.8/3kV-2×150/184/240mm2直埋敷设至3.125箱逆变一体机。通过计算光伏区方阵所涉及成本费用来确定最优方案。

图2 边缘布置、居中布置方阵示意图

3 结束语

一般以16汇1直流汇流箱、居中布置作为目前市场首选方案。根据市场价格具体修正方案模型，合理调整汇流箱本体材料、光伏线1×4、低压电缆、青赔、材料安装费等价格，从而实现项目成本目标控制。