引言

光伏发电系统中，直流配电网通过逆变器控制输出，当逆变器的故障引起直流母线电压异常，会导致光伏系统的保护装置误动或拒动。而传统直流配电系统中，当出现故障时，配电系统中的断路器或隔离开关往往是由交流侧的断路器或隔离开关直接跳开来切断故障电流，造成保护装置误动或拒动。

一、光伏发电系统概述

光伏发电是利用半导体界面的光生伏特效应而将光能直接转换为电能的一种技术，是太阳能利用的最重要手段。光伏发电系统由光伏电池组件、逆变器、控制器和储能装置等组成。光伏电池组件是系统中最核心的部件，将太阳辐射能转化为电能；逆变器是将光伏电池组件产生的直流电转换为交流电的装置；控制器根据需要，控制储能装置对电能进行充电或放电；储能装置对直流电进行二次能量转换，为系统提供一定功率的电能，保证光伏发电系统能够安全、稳定地运行。光伏发电系统可以单独使用，也可与其他系统结合使用，但通常情况下多采用并网方式运行

二、直流电保护性能分析

2.1 直流电保护的重要性

在光伏发电系统中，当直流电发生故障时，由蓄电池输出的直流电会通过逆变器流入到系统中，导致整个光伏发电系统失电。若直流电不能及时切断，将会使整个光伏发电系统陷入瘫痪状态，严重时甚至会危及人身安全。因此，光伏发电系统中直流电保护具有十分重要的意义。为了保证直流电保护的可靠性，目前常用的直流电保护方法主要有过电压保护器、短路保护装置等。其中，过电压保护器适用于太阳能电池组件过压保护；电流保护器适用于逆变器过流保护；短路保护装置适用于负载短路保护。目前，光伏发电系统中常用的过电压保护器和电流保护器均存在一定的不足之处。

2.2 直流电保护存在的问题

直流电保护装置一般由过电压保护器和电流保护器组成，其工作原理是当过电压保护器内部元器件发生故障时，其输出的电流将会大于其额定电流，从而达到保护目的。但是，由于光伏发电系统中光伏电池组件的功率输出特性，当过电压保护器中元器件发生故障时，过电压保护器的保护效果将会受到一定的影响，特别是当过电压保护器中元器件发生损坏时，将会导致过电压保护器不能正常工作。

此外，由于光伏发电系统中负载一般比较复杂，当负载发生故障时，若光伏发电系统中的断路器动作不及时或误动作，将会导致负载不能及时被切断而造成严重后果。

三、直流电保护性能改进措施

3.1 提高过电压保护能力

3.1.1 使用额定电压更高的元器件

过电压保护电路的主要任务是消除由系统内部短路产生的过电压，因此要求电路有较高的动作电压。光伏发电系统中，常用的浪涌保护器均具有一定的额定电压，通常为12V。如果光伏发电系统中使用了额定电压更高的元器件，其过电压保护电路中使用了较高的断路器电流、最大的浪涌电流 Imax和较高的熔断器等器件，这样在光伏发电系统出现过电压时，保护器可以更快地动作，将直流母线电压限制在一定范围内。通过对比可以发现，当使用了额定电压更高的元器件时，保护电路的动作时间将明显缩短。

3.1.2 增加过电压保护器件数量

当光伏发电系统中过电压保护电路中使用的元器件数量越多，过电压保护电路的性能将得到很大改善，其动作时间会明显缩短。

3.1.3选择合理的元器件类型及参数光伏发电系统中过电压保护电路通常采用两种类型的元器件。其中，过电压保护电路采用电流保护器，而浪涌保护器则采用断路器。对于过电压保护器，其主要参数有额定电压、最大浪涌电流 Imax、短路电流 Icu等。这些参数可以通过试验来确定，从而选择合理的元器件类型及参数。

3.2 提高过电流保护能力

3.2.1 使用更高额定电流的保护器件

光伏直流系统中，通常需要设置过电流保护，以防止直流系统故障对设备造成损坏。在直流保护中，通常采用电流互感器与霍尔元件进行检测，当电路中出现短路故障时，可以快速判断出故障并切断电源。因此，为了提高光伏直流系统的过流保护能力，需要增加保护器件的额定电流。通常情况下，光伏直流系统中所使用的保护器件都是基于过电流检测的方式，其额定电流通常都较小。

3.2.2 增加过电流保护器件数量

光伏直流系统中的过电流保护器件通常只有一个，为了提高光伏直流系统中过电流保护的可靠性，需要增加保护器件的数量。通过增加保护器件的数量，可以使过电流保护器件的功能更加完善，并且还可以提高光伏直流系统中过电流保护的可靠性。

3.2.3采用智能断路器

智能断路器是一种能够根据负载的工作状态来自动启动或停止电源，以达到快速切断电路故障的目的。在光伏发电系统中，由于光伏电池组件、逆变器等设备出现故障时，会导致整个系统失去电源，因此需要采用智能断路器来快速切断电路故障。智能断路器一般由电流互感器、保护器件等组成。

3.3 提高短路保护能力

3.3.1 使用更低电阻值的保护器件

直流电短路时，光伏电池产生的最大直流电流可达数百安培甚至更高，而短路电流的大小与保护器件的电阻值有关，电阻值越大，短路电流越大。因此，若使用较低电阻的保护器件，可以有效降低短路电流对光伏系统的影响。通常情况下，光伏组件与直流断路器之间会采用限流电阻串联连接。限流电阻为10Ω。短路电流越大，限流电阻越大。因此在设计直流断路器时，可以采用更低电阻值的保护器件来实现短路保护功能。

3.3.2 增加短路保护器件数量

直流电短路时，光伏电池产生的最大直流电流可达数百安培甚至更高，若在直流电保护中采用多个短路保护器件，则可以有效地提高光伏电池的短路保护能力。例如，在光伏系统中分别安装1个短路保护器件和2个短路保护器件，当直流电发生故障时，将会产生2个不同的短路电流。若短路电流达到1A时，则光伏组件端的短路保护器件将会被激活；若短路电流达到2A时，则光伏组件端的短路保护器件将会被激活。当1个或2个短路保护器件同时被激活时，将会使整个直流电保护装置动作。因此，在设计直流电保护时，可以增加1个或2个短路保护器件来实现直流电的短路保护功能。

结论

本文首先阐述了光伏发电系统中直流电保护的重要性，分析了当前常用的直流电保护装置的不足之处，并给出了改进措施，同时，对提高光伏发电系统中直流电保护性能进行了探讨。

通过对光伏发电系统中直流电保护的研究可以看出，为了保证直流电保护的可靠性，在对光伏发电系统进行设计时，应合理选择过电压保护器和电流保护器的参数。同时，还应结合光伏发电系统实际情况对过压保护器、电流保护器等进行选择。此外，在实际生产中还应加强对光伏发电系统中直流电保护装置的日常维护工作，避免因人为原因而造成直流电保护装置不能正常工作。

参考文献

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