从组串到逆变器：光伏直流汇流箱的电流汇聚与保护机制
摘要
本文围绕光伏直流汇流箱的核心功能，系统阐述其在光伏发电系统中从光伏组串到逆变器之间的电流汇聚与保护机制。通过分析电流汇聚的技术原理、核心组件工作方式，以及过流、过压、防雷等多重保护机制的实现路径，并结合实际应用案例，揭示光伏直流汇流箱对保障系统稳定运行、提升发电效率的重要意义，为光伏系统的设计、运维提供理论与实践参考。
一、引言
在全球能源转型的大背景下，光伏发电凭借其清洁、可再生的优势，成为新能源领域的重要发展方向。光伏直流汇流箱作为光伏发电系统中的关键设备，承担着将多个光伏组串输出的直流电进行汇聚，并传输至逆变器的重要任务。同时，它还需具备完善的保护机制，系统在复杂的运行环境下安全、稳定运行。深入了解光伏直流汇流箱的电流汇聚与保护机制，对于优化光伏系统设计、提高系统可靠性和发电效率具有重要意义。
二、光伏直流汇流箱的电流汇聚原理
2.1 光伏组串的输出特性
光伏组串由多个光伏组件串联而成，其输出特性受光照强度、温度等环境因素影响。在标准测试条件（STC，光照强度 1000W/m²、电池温度 25℃、空气质量指数 1.5）下，单个光伏组件的输出电压通常在 30 - 40V 之间，电流根据组件功率不同有所差异 。当多个组件串联组成光伏组串后，组串电压为各组件电压之和，电流则与单个组件电流相近。例如，一个由 20 个组件串联而成的光伏组串，在 STC 条件下，输出电压可达 600 - 800V，电流约为 8 - 10A。
2.2 电流汇聚的基本架构
光伏直流汇流箱通常设计有多路输入和单路或多路输出。其内部电路结构主要包括输入支路、汇流母线和输出电路。每个输入支路对应一个光伏组串，通过导线连接至汇流箱内部。在汇流箱内部，各输入支路的电流在汇流母线上进行汇聚，然后通过输出电路传输至逆变器。以常见的 16 路输入光伏直流汇流箱为例，16 个光伏组串的电流分别通过各自的输入支路流入汇流箱，在汇流母线上汇总后，经输出电路输送给逆变器。
2.3 电流汇聚的关键技术
2.3.1 等电位连接技术
为各光伏组串输出电流能够顺利汇聚，光伏直流汇流箱采用等电位连接技术。通过将各输入支路的正和负分别连接到对应的汇流母线上，使各支路在电气上处于同一电位水平，避免因电位差导致的电流不均衡问题。同时，良好的等电位连接还能降低电路中的接触电阻，减少能量损耗。
2.3.2 高效导电材料的应用
汇流箱内部的汇流母线和连接导线采用高导电率的铜材，以降低线路电阻。例如，汇流母线通常选用截面积较大的铜排，根据汇流箱的额定电流不同，铜排截面积一般在 50 - 200mm² 之间 。较大的截面积可有效降低电阻，减少电流汇聚过程中的发热和损耗，提高电流传输效率。
三、光伏直流汇流箱的核心组件与电流汇聚实现
3.1 熔断器
熔断器是光伏直流汇流箱中保障电路安全的重要组件，安装在每个输入支路中。当光伏组串发生短路故障或电流异常增大时，熔断器的熔体因过热熔断，迅速切断电路，防止故障扩大，保护光伏组件、汇流箱及后续设备。光伏专用熔断器具有分断能力强、熔断速度快的特点，其额定电流根据光伏组串的工作电流进行选择，一般为组串工作电流的 1.5 - 2 倍。
3.2 防反二管
防反二管串联在每个输入支路中，其主要作用是防止光伏组串在夜间或光照不足时，因自身成为负载而被其他组串反向充电。当光伏组串正常发电时，二管正向导通，电流顺利通过；当组串电压低于其他组串或系统电压时，二管反向截止，阻断反向电流。防反二管通常采用快恢复二管，具有反向恢复时间短、正向压降小的优点，可减少能量损耗。
3.3 电流传感器
电流传感器用于实时监测各输入支路和输出电路的电流大小。常见的电流传感器有霍尔电流传感器和分流器。霍尔电流传感器基于霍尔效应原理，通过检测磁场变化来测量电流，具有电气隔离性能好、响应速度快的特点；分流器则是利用电阻上的电压降与电流成正比的关系来测量电流，结构简单、成本较低。电流传感器将检测到的电流信号转换为电信号，传输给汇流箱内的测控单元，实现对电流的实时监控和数据采集。
3.4 测控单元
测控单元是光伏直流汇流箱的 “大脑”，它接收来自电流传感器、电压传感器等检测元件的信号，对各输入支路和输出电路的电流、电压、温度等参数进行实时监测和分析。当检测到异常数据时，测控单元可根据预设的保护逻辑，触发相应的保护动作，如切断故障支路、发出报警信号等。同时，测控单元还可通过通信接口将监测数据上传至监控系统，实现远程监控和管理。
四、光伏直流汇流箱的保护机制
4.1 过流保护
过流保护是光伏直流汇流箱基本的保护功能之一。当输入支路或输出电路中的电流超过熔断器的额定电流或测控单元设定的过流阈值时，熔断器熔断或测控单元控制断路器切断电路，防止因过流导致设备损坏。过流保护的动作时间与电流大小相关，一般遵循反时限特性，即电流越大，动作时间越短。例如，当电流达到额定电流的 2 倍时，熔断器应在数秒内熔断；当电流达到额定电流的 10 倍时，熔断时间可缩短至毫秒级。
4.2 过压保护
过压保护用于防止因光伏组串输出电压异常升高或电网电压波动等原因导致的过压损坏。汇流箱内的电压传感器实时监测各输入支路和输出电路的电压，当电压超过设定的过压阈值（通常为额定电压的 1.2 - 1.3 倍）时，测控单元触发保护动作，切断相关电路，并发出报警信号 。过压保护可有效保护光伏组件、逆变器等设备免受过高电压的冲击。
4.3 防雷保护
光伏系统长期暴露在户外，易遭受雷击。光伏直流汇流箱配备防雷保护装置，常见的防雷器有压敏电阻型和气体放电管型。压敏电阻在正常电压下呈现高阻状态，当受到雷击过电压时，其电阻迅速降低，将雷电流引入大地；气体放电管则通过气体放电来释放雷电流。防雷器一般安装在汇流箱的输入和输出端，形成多级防雷保护体系，在雷击发生时，能够有效泄放雷电流，保护设备安全。
4.4 防反接保护
防反接保护用于防止光伏组串在安装或维护过程中因正负接反而损坏设备。汇流箱通过在电路设计上增加防反接电路或采用具有防反接功能的连接器来实现这一保护。当光伏组串正负接反时，防反接电路会自动切断电路或阻止电流通过，避免因反向电流导致二管、熔断器等元件损坏。
五、实际应用案例分析
5.1 某大型地面光伏电站案例
5.1.1 项目概况
某大型地面光伏电站装机容量为 500MW，采用集中式逆变器方案，配置了大量的光伏直流汇流箱。每个汇流箱为 16 路输入，额定电流为 300A，主要用于汇聚 20 个光伏组件串联而成的光伏组串的电流。
5.1.2 电流汇聚与保护效果
在电站运行过程中，光伏直流汇流箱的电流汇聚功能稳定可靠，各光伏组串的电流能够顺利汇聚并传输至逆变器。通过电流传感器和测控单元的实时监测，有效实现了对各支路电流的精确监控。在一次端天气导致的雷击事件中，汇流箱的防雷保护装置迅速动作，成功将雷电流引入大地，保护了汇流箱及后续设备免受雷击损坏，了电站的正常运行。同时，过流保护功能在某支路因组件故障导致电流异常增大时及时触发，熔断器熔断切断故障支路，避免了故障的进一步扩大。
5.2 某分布式光伏项目案例
5.2.1 项目概况
某分布式光伏项目安装在工商业屋顶，装机容量为 1MW，采用组串式逆变器方案。光伏直流汇流箱为 8 路输入，额定电流为 150A，用于汇聚 15 个光伏组件串联而成的光伏组串的电流。
5.2.2 电流汇聚与保护效果
该项目中，光伏直流汇流箱的防反二管有效防止了光伏组串在夜间的反向充电问题，减少了能量损耗。在一次设备维护过程中，由于工作人员误将某组串正负接反，汇流箱的防反接保护功能立即启动，切断电路，避免了设备损坏，保障了维护人员的安全。同时，过压保护功能在电网电压波动导致汇流箱输出电压升高时及时动作，保护了逆变器等设备的安全运行。
六、结论
光伏直流汇流箱作为光伏发电系统中不可或缺的设备，其电流汇聚与保护机制对于保障系统的稳定运行和提高发电效率起着至关重要的作用。通过合理的电路设计、关键组件的应用以及完善的保护策略，光伏直流汇流箱能够将多个光伏组串的电流高效汇聚，并在面对各种故障和异常情况时，及时采取保护措施，防止设备损坏和事故扩大。在未来的光伏发电系统发展中，随着技术的不断进步，光伏直流汇流箱将朝着智能化、集成化、高可靠性的方向发展，为推动光伏发电产业的可持续发展提供更有力的支持。
