如何确定直流电源电缆的尺寸
本文根据 AS/NZS 3008.1 标准进行电缆尺寸计算，该标准与 IEC 标准类似。该标准规定了电缆在澳大利亚典型条件和安装布置下的电气特性。它适用于 0.6/1.0 千伏及以下的交流 (AC) 系统。尽管标题中包含 "交流电压"，但该标准也适用于直流 (DC) 装置。AS/NZS 3008.1 可满足电路要求，包括载流能力、电压降和短路温度限制，同时最大限度地降低整个光伏 (PV) 系统的成本。
直流电缆的大小对光伏系统的性能、总成本和安全性有很大影响。此外，还需要保证符合相关标准。本文探讨了直流电缆的额定电流和电压升高计算。
直流电缆和交流电缆的区别
直流电缆广泛应用于太阳能发电厂。事实上，直流电缆的结构与交流电缆完全不同。直流电缆的主要材料是铜，因为铜具有高柔韧性、载流量和热性能。此外，由于直流电缆没有集肤效应，直流电缆单位长度上的铜与交流电缆不同，因此直流电缆和交流电缆的功率疏散能力也不同，因此不能使用交流电缆进行直流功率疏散。事实上，直流电缆的功率疏散能力与交流电缆不同。这项工作的重点是根据 AS/NZS 3008.1 为光伏系统应用确定直流电缆的尺寸。此外，假定直流电缆的两段分别是光伏组串至阵列接线盒 (AJB) 和阵列接线盒至逆变器。
术语
| 电缆（PV 字符串至 AJB） | 直流电缆额定电流 - 从光伏组串到 AJB |
| MPP 的 IPV 模块 | 最大功率点时的额定光伏电流 |
| DF | 降额系数 |
| 电缆（AJB 至逆变器） | 直流电缆额定电流 - 从 AJB 到逆变器 |
| 最大直流逆变器输入 | 最大直流逆变器输入电流 |
| ISC max PV Mod | 光伏组件最大短路电流 |
| ISC 光伏模块 | 光伏组件短路电流 |
| αi | 光伏组件短路电流的温度系数 |
| βv | 光伏组件开路电压的温度系数 |
| VOCPVMod | 光伏组件开路电压 |
| Tcell最大值 | 电池最高温度 |
| Vrise直流电缆 | 所有直流电缆的电压升高 - 从光伏组串到逆变器 |
| Vrisestring to AJB | 直流电缆的电压升高 - 从光伏组串到 AJB |
| VriseAJB 至逆变器 | 直流电缆的电压升高 - 从 AJB 到逆变器 |
| VPV字符串 | 光伏组电压 |
| 位于 MPP 的 VPV模块 | 最大功率点时光伏组件的额定电压 |
| 净现值/字符串 | 组串光伏组件数量 |
| VMPPT逆变器最小值 | 最小 MPPT 逆变器输入电压 |
| VMPPT逆变器最大值 | 最大 MPPT 逆变器输入电压 |
| VPV模式最小值 | Tcellmax时的光伏组件最低温度 |
| 最大VPV模数 | Tcellmin时光伏组件的最高温度 |
| Tcell最大值 | 电池最高温度 |
| Tcellmin | 电池最低温度 |
| 共分分钟 | 最低环境温度 |
| 最大值 | 最高环境温度 |
| NOCT | 标称电池工作温度 |
| G | 阵列平均每小时平面辐照度（瓦/平方米） |
| 从光伏组串到 AJB 的电缆 | 从光伏组串到 AJB 的直流电缆长度 |
| Istringat MPP | 最大功率点时的光伏串电流 |
| Lcable(AJBtoinverter) | 从 AJB 到逆变器的直流电缆长度 |
| 在 MPP 的 Iarray | 最大功率点时的光伏阵列电流 |
- 功率（瓦）：光伏系统的交流功率。
- 电压 (V)：光伏组件电压（额定电压和开路电压）和逆变器电压（最小和最大 MPPT 电压）
- 电流（千瓦、千伏安、安）：光伏组件电流（额定电流和短路电流）和逆变器电流（最大输入直流电流）
- 温度（°C）：地点的最高和最低环境温度。
- 距离（米，英尺）：估计电缆或电线长度（米或英尺）。
- 电缆类型：电缆芯数。忽略三相电缆中的中性线和接地线。
- 绝缘类型：通常为热塑性塑料（PVC）或热固性塑料（XLPE）。正确选择额定温度至关重要。
- 并行电缆数量：通常只有一条电缆。高负载情况下可选择多于一条电缆。如果电缆类型为单芯电缆，则该参数表示成套电缆；例如，如果为 "三根单芯 "电缆选择了两根并联电缆，则会考虑六根电缆。
- 电缆安装：必须考虑电缆安装的最坏情况。
1.额定电流计算
在光伏系统中，存在两条直流电路：第一条是光伏组串与 AJB 之间的电路，第二条是 AJB 与逆变器之间的电路。
第一段直流电缆的额定电流是根据以下条件得出的：
条件 11：电缆额定电流应等于或大于光伏组串电流；因此、
条件 12：应根据允许的环境温度和接地温度选择电缆额定值。通常，设计表中的环境温度和地面温度分别为 40°C 和 25°C。
条件 13：应根据电缆类型、绝缘类型和电缆安装方法选择额定电流。
根据上述条件，在某些情况下，设计表（AS/NZS 3008 表 22-27）中会考虑降额系数 (DF)。对于带 DF 的电缆，条件 11 中的电缆额定电流计算应更新如下：
因此，应遵循条件 12 和 13，根据新的逆变器电流选择适当的横截面积。在此阶段，可以选择第一段的初始横截面。
第二段直流电缆位于 AJB 和逆变器之间。第二段电缆的额定电流可根据以下条件得出：
条件 21：电缆额定电流应等于或大于逆变器交流电流和负载电流之和；因此
在哪里？
条件 22：应根据允许的环境温度和接地温度选择电缆额定值。通常，设计表中的环境温度和地面温度分别为 40°C 和 25°C。
条件 23：应根据电缆类型、绝缘类型和电缆安装方法选择额定电流。
根据上述条件和某些情况，设计表（AS/NZS 3008 表 22-27）中考虑了降额系数。对于带降额系数的电缆，条件 21 中的电缆额定电流计算应更新如下：
因此，应遵循条件 22 和 23，根据新的逆变器电流选择适当的横截面积。在此阶段，可以选择第二段（用户主直流电缆）的初始截面。确定第一段和第二段直流电缆的尺寸后，应进行电压升高计算，以确认所选直流电缆能确保达到目标直流电压升高。
2.电压升高计算
根据额定电流选择电缆截面后，计算所选电缆的电压升高。从光伏组串到逆变器的直流电压升高（Vrise直流电缆）可按以下公式计算：
其中，VMPPT逆变器最大值和 VPVMod 最小值的计算公式为
因此，Tcell最小值和 Tcell最大值可根据最低和最高环境温度，使用电池温度方程计算得出，如下所示：
在哪里？
在哪里？
因此， 直流电缆的压降 ≤ 使用公式 (7) 计算出的值，否则，应增加从光伏组到 AJB 的直流电缆长度和/或从 AJB 到逆变器的直流电缆长度，以确保所需的电压升高。
以下示例旨在说明标准方法在实际案例中的应用。
例 1： 要求光伏系统的交流输出功率为 82.8 千瓦。以下数据可从现场获得：
- ABB 变频器
- 250Wp 的通用光伏组件
- 纬度 = 97，经度 = 35.91
- 倾斜表面上的日位置辐照 =5.93 kWh/m²
- 直流电缆总长度= 70 米
- 最高环境温度= 40 °C
- 最低环境温度 =-5 °C
在此示例中，需要正确确定直流电缆的尺寸。
解决方案
- 交流输出功率等于8 千瓦。
- 根据 ABB 变频器的可用性，可与该输出功率相匹配的变频器有50 千瓦（TRIO-50.0-TL-OUTD）和33 千瓦（PRO-33.0-TL-OUTD），它们都是三相变频器。
- 光伏组件的功率应为 250 Wp。因此，本例中可使用天合光能 TSM-250-PC-PA05A 太阳能组件。
- 从光伏组串到 AJB 的直流电缆=2 米
- 从 AJB 到逆变器的直流电缆=10 米
- 两条单芯直流电缆
- 绝缘类型为热塑性塑料（PVC）
- 电缆安装是在空气中布线
1.额定电流计算：
1.1.从 PV 字符串到 AJB
因此，电缆电流必须等于或大于光伏组件的额定电流。因此
因此
根据光伏组件的额定电流、电缆类型和安装条件，从 AS/NZS 3008.1.1:2017 表 10 第 11 栏中选择横截面积；因此，从光伏组串到 AJB 的直流电缆的适当横截面积为4 mm²。
1.2 从 AJB 到逆变器
第二段连接 AJB 和逆变器。在本例中，根据逆变器的额定值，两个逆变器需要两根不同的直流电缆从两个阵列连接到这些逆变器。
A. 50 千瓦逆变器 (TRIO-50.0-TL-OUTD) / 阵列 1
并行字符串数的计算方法如下：
根据光伏组件数据表，ISC= 8.9 A，Isc 的Tc = 0.053%/°C，TMaxcell和 = 56.060525 °C。
因此、
由于逆变器可负载其总容量的 120%，因此最大功率为 60 kW。假设组串数量为 26 个光伏组件/组串，则最大功率点的总电压为 793 V。因此
在该阵列中，十个串组成了光伏阵列。因此，建议使用尺寸为 10 mm ×4 mm 的 AJB 作为输入。此外，AJB 输出电缆的横截面积可按下式计算：
因此、
根据光伏组件的额定电流、电缆类型和安装条件，从 AS/NZS 3008.1.1:2017 表 10 第 11 栏中选择横截面积；因此，该阵列的直流电缆（AJB 至直流开关）的适当横截面积为25 mm²。
B.33 千瓦 (PRO-33.0-TL-OUTD) / 阵列 2
并行字符串数的计算方法如下：
根据光伏组件数据表，ISC= 8.9 A，Isc 的Tc = 0.053%/°C，TMaxcell和 = 56.060525°C。因此，
、
由于逆变器可负载其总容量的 120%，因此最大功率为 39.6 kW。假设组串数量为 27 个光伏组件/组串，则最大功率点的总电压为 823.5 V。因此，最大功率所需的电流为 48.1 A，所需的并联组串数为 5.86。因此
在该阵列中，有六条光伏串组成光伏阵列。因此，建议使用尺寸为 6 mm × 4 mm 的 AJB 作为输入。此外，AJB 输出电缆的横截面积可按下式计算：
根据光伏组件的额定电流、电缆类型和安装条件，从 AS/NZS 3008.1.1:2017 表 10 第 11 栏中选择横截面积；因此，该阵列的直流电缆（AJB 至直流开关）的适当横截面积为10 mm²。
2.电压升高计算：
根据 AS/NZS 3008.1.1:2017，截面为 4 mm² 的电缆的电压降为 14.3 V/A.km。由于最大功率点时的光伏组件电流等于 8.2 A，而从光伏串到 AJB 的直流电缆长度为 2 m，因此在两个阵列中，从光伏串到 AJB 的电压降（Vdrop，光伏串到 AJB）等于 0.235 V。
在此示例中，倾斜表面上的日位置辐照度等于 5.93 kW/m²。因此，平均太阳辐照 (𝑆) 为 494.17 W/m²。
，该地点的最低和最高环境温度分别为 -5°C 和 40°C。此外，标称工作电池温度 (NOCT)= 46 °C。因此，电池的最低和最高温度可按下式求得：
此外，VMPP= 30.5 V，Tc=-0.32%/°C，并提供电池片的最低和最高温度，可计算出 MPP 时模块的最低和最高电压如下：
A.50 千瓦逆变器 (TRIO-50.0-TL-OUTD) / 阵列 1
假设光伏组件处于 MPPT 电压范围内，因此光伏组串的平均电压为 640 V，设计压降为1.3%。
因此，组串长度（每个组串的光伏组件数量）可按下表求得：
因此、
在该阵列中，用于该阵列的直流电缆（AJB 至直流开关）的横截面为 25 mm²。根据 AS/NZS 3008.1.1:2017，25 平方毫米截面的电压降为 2.23 V/A.km。由于 MPP 点的组串电流等于 8.2 A，且从 AJB 到逆变器的直流电缆长度为 10 m，因此从 AJB到逆变器的压降（Vdrop,AJB 到逆变器）等于0.128 V。
对于该逆变器，每个组串的光伏组件数量为 26 个，且每个光伏组件在 MPP 点的电压为 30.5 V。因此，
、
因此、
公式 (8) 用于计算每个组串的电压降，如下所示：
B.33 千瓦 (PRO-33.0-TL-OUTD) / 阵列 2
根据 PRO-33.0-TL-OUTD 的数据表，逆变器的 VminMPPT = 580 V，逆变器的VminMPPT = 850 V。
假设光伏组件处于 MPPT 电压范围内，因此光伏组串的平均电压为 715 V，设计压降为1.1%。
因此，组串长度（每组串的光伏组件数量）可通过公式（1）计算得出：
因此、
在该阵列中，阵列直流电缆（AJB 至直流开关）的横截面为10 mm²。 根据 AS/NZS 3008.1.1:2017，横截面为10 mm²的电压降为5.46 V/A.km。由于 MPP 时的组串电流等于 8.2 A，且从 AJB 到逆变器的直流电缆长度为 10 m，因此从 AJB到逆变器的电压降（Vdrop,AJB 到逆变器）等于0.448 V。
对于该逆变器，每个组串的光伏组件数量为 27 个，每个光伏组件在 MPP 时的电压为 30.5 V。
因此、
公式 (8) 用于计算每个组串的电压降，如下所示：
