采用“黑箱”方法和实验室测量手段对即插即用型光伏逆变器的个人安全风险进行评估

《Solar RRL》：Assessment of Personal Safety Concerns of Plug and Play Photovoltaic Inverters using a Black Box Approach and Laboratory Measurements

针对插电即用型光伏系统中微逆变器的安全隐患，本研究通过残压、低电压馈电和触温三方面测试25款微逆变器，发现56%符合现行标准，但部分产品存在超标风险。建议采用安全适配器或优化设计以提升安全性。

　　随着太阳能技术的不断发展和普及，插拔式光伏（PV）系统因其便捷性和经济性，逐渐成为家庭和小型商业用户的首选。这类系统通常采用微逆变器，其最大输出功率受到各国法规的限制，如在德国为600 VA或800 VA。然而，尽管这些系统在市场上获得了广泛的应用，其个人安全问题却未得到充分重视，特别是在非专业安装的情况下。现有的安全标准仅部分涉及这类系统的安全问题，因此，针对其安全性能的评估变得尤为重要。本研究采用了一种黑箱测试方法，对25种不同制造商的微逆变器进行了三项关键安全测试，旨在全面评估其在实际使用中的潜在风险。

首先，研究关注的是微逆变器在断开电网连接后，主插头是否仍存在残余电压。这种残余电压可能会对用户造成电击风险，特别是在系统未正确断电的情况下。测试结果显示，56%的微逆变器符合德国最新插拔式光伏系统标准草案（E DIN VDE V 0126–95:2024?6）规定的残余电压限制，行为与普通家用电器相似。然而，仍有44%的设备未达到标准，这提示可能需要进一步的研究来确认是否这些超出限制的残余电压会带来直接的安全隐患。研究还指出，通过添加继电器，可以有效确保符合安全标准。这为未来标准制定提供了重要依据，同时也为制造商改进产品安全性提供了指导。

其次，研究分析了在低电网电压条件下，微逆变器是否会增加馈入电流。这可能对非专用配电线路造成过载，进而引发安全隐患。测试结果表明，在低电压条件下，某些微逆变器的馈入电流甚至达到26.3%的峰值，这可能对现有的电路设计构成挑战。研究强调，需要考虑不同国家的电缆截面积和断路器额定值，以确保系统在实际应用中的安全性。此外，研究建议采用相对电流限制，而非绝对限制，以适应不同功率等级的设备，提高系统设计的灵活性。

第三，研究评估了微逆变器在运行过程中的最大接触温度。接触温度过高可能会对用户造成烫伤风险，特别是在长时间运行或高温环境下。测试发现，最大接触温度范围从43.40°C到80.33°C不等，其中75%的设备符合IEC 62?109–1标准规定的接触温度上限。然而，当环境温度达到35°C时，仍有46%的设备未能满足安全要求。这表明，在某些高温环境下，即使设备本身符合标准，也可能因安装方式或散热条件而产生安全隐患。研究进一步指出，设备的功率密度与接触温度呈正相关，因此在系统设计时，使用多个低功率密度的设备可能比单个高功率密度设备更安全，不仅有助于降低接触温度的风险，还可能延长设备的使用寿命。

研究采用了黑箱测试方法，即在不拆解设备的情况下，仅通过可访问的部件和连接器进行测试。这种方法不仅符合用户的实际操作情况，也避免了因拆解设备可能带来的干扰。测试过程中，使用了专用的模拟器和测量设备，以确保测试的准确性和可重复性。此外，研究还考虑了不同国家的电网连接方式，例如德国允许通过专用的特殊馈入插座连接，而瑞士则允许通过标准插座连接。这种差异对系统的安全性能有重要影响，需要在制定统一标准时加以考虑。

测试结果显示，一些设备在特定条件下可能表现出不一致的行为，例如在低电压测试中，部分设备的电流响应与标准要求存在偏差。这表明，未来的标准制定应更加注重设备的多样化配置，并考虑在不同环境和操作条件下对安全性能的全面评估。同时，研究还强调了制造商在产品设计中融入安全功能的重要性，例如通过在内部电路中加入安全继电器或改进散热设计，以提高系统的整体安全性。

此外，研究指出，一些设备在高温条件下可能因散热不良而出现接触温度超标，这可能与设备的安装位置、散热设计以及输入功率有关。因此，在实际应用中，应考虑设备的安装环境，确保其在各种条件下都能保持安全运行。同时，研究还提到，一些设备在断开连接后仍可能保留较高的残余电压，这种现象可能与设备内部的非可断开电容有关。这表明，在设计和制造过程中，需要更加注重电容的选型和管理，以避免因电容导致的安全问题。

综上所述，本研究通过系统的黑箱测试方法，揭示了插拔式光伏系统在安全方面的关键问题，并为未来的标准制定和产品改进提供了数据支持和建议。研究不仅评估了设备在残余电压、馈入电流和接触温度方面的表现，还强调了系统整体设计的重要性。通过合理的设备选择和安装策略，可以有效降低安全风险，确保插拔式光伏系统的广泛应用。未来的研究应进一步探索如何通过技术手段和系统设计优化，提高这类系统的安全性，以满足不断增长的市场需求和严格的法规要求。