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干貨:光伏組串電流傳感器的應用及迭代

2018-06-29 15:32  來源:浙江巨磁智能技術有限公司  瀏覽:  

什么是光伏組串:

在光伏發電系統中,將若干個光伏組件串聯后,形成具有一定直流輸出的電路單元,簡稱組件串或組串。

組串電流檢測有幾個典型的特點:

檢測電流的路數一般較多,典型的有8路16路等(匯流箱),逆變器則根據其MPPT設計各有不同。

對其檢測電流的精度有一定要求,但不做計量或計算需求。更大的意義在于實時監控組件發電的狀態。

組串電流檢測的應用:

匯流箱

是指用戶可以將一定數量、規格相同的光伏電池串聯起來,組成一個個光伏串列,然后再將若干個光伏串列并聯接入光伏匯流箱,起到匯流和監控的裝置。匯流箱是作為組串電流的典型應用代表。

逆變器

隨著分布式電站及商用家庭光伏發電的興起。尤其是國內,組串式電流傳感器作為檢測光伏面板的第一道監控,發揮著不可或缺的作用。

電流檢測原件的迭代升級

原理篇

因為需要對光伏面板發出的電流進行實時監控,其關注電流一般在7A~10A的直流電流(雙面組件的電流會更大些)。要檢測這個檔位的直流電方案有很多。有比如電阻,光耦霍爾等檢測方案。這里可以講講光伏匯流箱里電流檢測方案的跟新迭代。

電阻方案:

在低頻率小幅值電流測量中,表現出高的精度和較快的響應速度。工業領域中,在不涉及到測量回路與被測電流之間電隔離的場合,分流器是將電流信號轉變為電壓信號的首選的低成本方案。

單芯片霍爾方案(SO8封裝等):

霍爾電流檢測方案(磁環式):


 

拿匯流箱舉例,直流匯流箱最早有不帶電流檢測功能的。其主要是用于連接光伏陣列(組串) 及逆變器,提供防雷及過流保護等。但對于大型光伏電站項目而言,必須增加智能采集裝置,專門用于監測光伏電池陣列中電池組串的運行參數,以保證對設備的實時監控。

 

早期的匯流箱,廠家喜歡用電阻(Shunt)方案來檢測電流。電阻有著使用簡單,成本低廉等優點。但其缺點也很明顯,其溫漂較大且非隔離的特性讓其不是非常適合在光伏系統中使用。如果選擇特殊的電阻隔離方案,則需要選擇較好的運放及線性光耦,其綜合成本也并不低。

并且光伏電站的實際運營中,出現了一定比率的箱體著火燒毀現象。排查下來,有一大部分原因是因為長時間的使用電阻一直處于通電狀態,其兩端固定處的松動引起接觸阻值異常發熱,甚至拉弧。究其根本原因,還是電阻檢測方案是非隔離方案,在光伏這樣的工業級系統中顯然不太適合。

就這個問題,各大光伏論壇及年會也時常說起。市場普遍認為,電阻方案做為光伏系統中的電流檢測方案會有潛在風險,原則上不推薦使用。漸漸地主流電站方開始在招標書上指定要求選用隔離的電流傳感器(霍爾)去替代電阻。

在選用霍爾電流傳感器的方案上也有區別。根據工作原理的不同一般分開環和閉環。

在要求用霍爾替代電阻的那段時間里,可選擇的電流傳感器方案其實并不多,僅有國外的幾家傳感器廠家擁有成熟方案,而且當時的開環方案并不成熟。在這樣的情況下,大家只能硬著頭皮用昂貴的閉環方案。緊接著國內廠家借勢推出了本土化的廉價閉環方案。

閉環在精度上有著相對優勢,但在實際使用時又出現了若干問題。比如,閉環傳感器的線圈匝數較多,灌膠后,傳感器內部在經受熱脹冷縮后線圈容易出現斷裂現象。加上較多的線圈匝數在遇到打雷天氣時耦合較大的能量,容易打壞傳感器的內部芯片。但最根本的問題還是:即使是廉價版的閉環傳感器,其成本價格也是組串電流檢測所無法承受的。

同一時期開環方案逐漸成熟,從LEM的HO系列到國內開環方案的百家開花。從成本和可靠性上,開環電流傳感器真正實現了高性價比和可靠的組串電流檢測方案。

注:介于電阻和霍爾電流傳感器(磁環式)之間的單芯片霍爾(如ACS712)定位稍尷尬,由于其耐壓及電流過沖能力欠佳,不被大多數的光伏用戶認可。

在開環電流傳感器方案中,Magtron受到越來越多客戶的青睞,根本的原因還是在于其成熟的自研SOC芯片和敏銳的市場洞悉力,能在短時間內為客戶找到合適的方案,并提供相應可靠的件。

-- 結構篇

當開環霍爾成為了主流后。凡是組串類的直流電流檢測,都會優先選用該方案。在找到了適合的原理方案后,大家又開始考慮結構上的問題。

主流的穿芯霍爾做到了完全的隔離,安全等級較高。幾乎所有的傳感器都是以是以豎裝的形式來設計。這種設計延續了傳感器以往的立式方案。

不同的方案沒有絕對的好壞,但對應用在適合的項目中,會大大降低你的人工成本及綜合成本。

這里還是以匯流箱舉例,對比SNEC 14年的光伏展與16年的光伏展,不難發現,主流的匯流箱方案,都在朝著功率密度集成化的方向在走。這也是我們所提到的,在原理方案沒有太大區分化的今天,結構上的推陳出新能給整個方案帶來全新的設計思路。




 
 
 

從扁平化的監控模塊到正負極熔斷器的上下疊排,再到使用銅排替代AWG線,甚至雙熔斷絲底座的設計。一些列的結構升級讓整個匯流箱的空間愈發緊湊,生產效率不斷提升。整個機箱體積能減少1/4以上,帶來的優勢不言而喻。

講到生產效率,就不得不提到分布式逆變器的組串電流檢測。它和匯流箱起著類似的作用。作為逆變器的一部分,它的設計會更加緊密。傳統的立式安裝會遇到PCB板占板面積較大,穿線不方便的情況。組串線需要先穿過傳感器的孔再插入逆變器內殼的MC4端子接線頭。兩次穿線會給工人帶來生產效率上的問題。

而臥裝形式的電流傳感器就恰好適合這種場所。其穿孔緊貼PCB板的空位,而PCB孔又緊貼MC4接線孔。讓穿線一步到位,同時又只占到逆變器內部很小一部分空間。再深挖這種臥裝形式的傳感器你還會發現,有很大一部分的領域都更適合這種方式檢測電流。

當然,根據不同的場所,Magtron提供不同方案,讓用戶有跟多的選擇權。

文:Donna
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