光伏電子系統(tǒng)電路保護設(shè)計

全球綠色能源需求推動了太陽能系統(tǒng)市場的強勁增長。雖然大量開發(fā)工作仍然把重點放在更高效的光伏（PV）能量轉(zhuǎn)換方面，但對更加可靠、高效和高性價比的太陽能傳送的需求也非常迫切。最近美國能源部（DOE）發(fā)布的“SunShot”行動計劃更是突出了這方面的需求，這項計劃旨在將公用事業(yè)規(guī)模的光伏能源系統(tǒng)總體成本削減約75%，使得它們與其它發(fā)電技術(shù)相比具有更強的成本優(yōu)勢。

　　前沿的電路設(shè)計

　　實用的光伏電子系統(tǒng)開發(fā)責(zé)任最終落在了電路設(shè)計師的肩上，包括那些開發(fā)完整太陽能系統(tǒng)的公司的設(shè)計師、向最終用戶提供“交鑰匙”系統(tǒng)的系統(tǒng)集成商的設(shè)計師以及各種太陽能子系統(tǒng)的設(shè)計師。其中許多設(shè)計師負責(zé)開發(fā)的電路主要用于優(yōu)化光伏系統(tǒng)裝置的性能和成本。這些工程師設(shè)計的電路一般是太陽能陣列、直流匯流箱或逆變器。

　　太陽能系統(tǒng)涉及相對較新的技術(shù)，因此光伏系統(tǒng)設(shè)計師在開發(fā)不同類型的電氣和電子系統(tǒng)方面通常都擁有豐富的經(jīng)驗。舉例來說，現(xiàn)在生產(chǎn)小型太陽能逆變器的公司以前可能主要是制造電源轉(zhuǎn)換或UPS系統(tǒng)的。在這個新的位置，這些新的光伏系統(tǒng)設(shè)計師可能要求設(shè)計連接電網(wǎng)的1MW直流規(guī)模的太陽能電路。與開發(fā)其它直流電源系統(tǒng)甚至大功率交流應(yīng)用時制定的相同任務(wù)相比，為這些高壓太陽能應(yīng)用設(shè)計電路和指定元件有很大的不同。

　　基本電路保護需求

　　為太陽能電路選擇電路保護器件就是設(shè)計師可能遇到麻煩的一個地方。這些電路可能用于種類廣泛的系統(tǒng)，范圍可能從住宅級應(yīng)用到大型工業(yè)設(shè)施甚至連接電網(wǎng)的太陽能工場。在所有這些系統(tǒng)中，有許多位置都需要電路保護器件（圖1）。許多應(yīng)用筆記為用于監(jiān)視和控制的交流電源與數(shù)字通信系統(tǒng)提供了電路保護器件選擇指南。這些領(lǐng)域已經(jīng)超出了本文討論的范圍。本文主要討論太陽能系統(tǒng)的直流側(cè)電路設(shè)計，電路設(shè)計師在這里更可能遇到意料之外的問題。

　　圖1：太陽能系統(tǒng)中需要使用電路保護器件的地方。

　　在典型的太陽能電子系統(tǒng)中，各個太陽能電池板或模塊通過串聯(lián)來提高輸出電壓，并提高效率。許多電池串需要并聯(lián)使用以獲得要求的輸出電流和最終功率。根據(jù)系統(tǒng)規(guī)模和設(shè)計細節(jié)，并聯(lián)電池串可以在電池串匯流箱中實現(xiàn)連接，而電池串匯流箱則在陣列匯流箱中實現(xiàn)并聯(lián)，然后再連到逆變器（圖2）。

　　圖2：典型的太陽能電子系統(tǒng)。

　　在大多數(shù)情況下，多個電池串和陣列是在可操作的位置使用匯流箱連接在一起的。這些公共連接點有助于簡化系統(tǒng)的裝配和維護。不管在哪里使用，都有必要對電路進行分析，判斷系統(tǒng)的可能故障電流（即短路電流），并與元器件的過流能力進行比較，然后再安裝合適的電路保護器件，防止光伏模塊、斷開器、連線和走線設(shè)備受到損壞。
直流與交流電路保護

　　斷路器經(jīng)常是太陽能系統(tǒng)的交流側(cè)電路首選的保護方案，而在直流側(cè)使用相同的斷路器也可能非常有吸引力。雖然斷路器方案一般來說非常方便，但并不總是最佳方法。設(shè)計師必須仔細判斷太陽能系統(tǒng)直流側(cè)使用的電路保護器件是否是根據(jù)相關(guān)光伏標準設(shè)計的，并已經(jīng)得到了美國保險商實驗室（Underwriters Laboratories）（UL）或VDE等外部機構(gòu)的標準測試和認證，從而確信器件能夠在發(fā)生故障事件時正常動作。對電路保護器件來說中斷直流電壓比中斷等效RMS交流電壓困難得多。這里的根本原因是：交流電壓在每個電壓周期上有兩次到達零電壓點，這是影響電路保護器件安全中斷電壓并隔離故障電路的關(guān)鍵因素。

　　鑒于太陽能光伏電池板產(chǎn)生的是直流電能，因此對光伏電池板接收到的給定光能來說電流和電壓是穩(wěn)定的。由于存在高電壓直流電流，典型的電路保護器件很難在太陽能系統(tǒng)中可能發(fā)生的各種工作條件中可靠地中斷電路。在最壞情況下，不是為直流光伏系統(tǒng)設(shè)計和認證的電路保護器件可能突然發(fā)生故障，并造成設(shè)備損壞、起火甚至可以傷害人身安全。然而最常見的問題是，在典型的光伏系統(tǒng)過流條件下器件的工作速度不夠快。

　　例如在某個電池串中，短路電流（ISC）可能不比正常電流大許多。典型的太陽能電池串在正常工作時的輸出電流可能是4.2A，它的前向ISC約為4.5A。當(dāng)與小型450VDC 10kW系統(tǒng)中的其它電池串組合在一起時，要求正常尺寸的10A過流保護器件（OCPD）在電池串故障事件發(fā)生時中斷的短路電流大約是20A。這些高直流電壓、低過載條件在設(shè)計高成本效益的OCPD時是一個艱巨的挑戰(zhàn)，因為這些OCPD需要在適當(dāng)?shù)碾妷骸㈦娏骱蜐穸确秶鷥?nèi)中斷電路。

　　基于上述這些理由，最常見的第一道防線是熔絲形式的OCPD（圖3）。天生是無源器件的熔絲在成本上要低于具有相同性能特征的斷路器。這些光伏系統(tǒng)熔絲和它們的測試在UL標準2579（用于光伏系統(tǒng)的低壓熔絲）和IEC標準60269-6中有描述。這些熔絲標準是與光伏電池板標準UL 1703和IEC60129以及逆變器標準UL1741和IEC61727配套制定的。

　　圖3：帶熔絲和其它走線器件的典型電池串匯流箱框圖。

　　根據(jù)具體應(yīng)用和系統(tǒng)設(shè)計，直流電池串電壓一般在300V至1000V范圍內(nèi)，但在連接電網(wǎng)的系統(tǒng)中也有可能高達1500VDC。因此必須為匯流箱選擇合適的熔絲、斷開器、走線器件等。另外，UL和IEC標準對這些應(yīng)用中使用的OCPD有特殊的性能要求。

　　當(dāng)OCPD是熔絲時，它必須能夠保護在短路電流額定值工作的光伏源電路，并且在電路發(fā)生故障時也能保護光伏源電路。NEC文章將故障電流定義為光伏電流ISC的125%加上與正常電流方向相反的任何反向或反饋電流。

　　一般來說，故障期間的反向電流源可能來自受影響陣列中的其它電池串的后饋電流（IBACKFEED），見圖4。可以近似用Isc x （n-1）公式計算出來，其中n等于受影響陣列中的電池串?dāng)?shù)量。UL1703和IEC60129定義了光伏電池測試規(guī)范，確保在等于或小于Istring fuse x 135%的后饋電流持續(xù)2個小時的情況下電池板不會發(fā)生危險的過熱狀況。UL光伏熔絲標準后來將光伏熔絲開路特性定義為不超過Istring fuse x 135%的電流持續(xù)1個小時。這樣就能在使用帶UL熔絲的UL或IEC電池板時保證正確協(xié)調(diào)工作。

　　圖4：由于故障造成的反饋電流。了解有關(guān)低電流中斷和UL與IEC熔絲標準的更多細節(jié)

　　大多數(shù)電路設(shè)計師將電路保護器件的標簽額定值自然等同于造成該器件開路的負載電流值。然而，在設(shè)計用于中斷直流電壓、高交流電壓或提供極端短路電流極限值的電路保護器件中，情況并不總是這樣。由于中斷高能量故障特別具有挑戰(zhàn)性，電路保護設(shè)計師經(jīng)常不得不犧牲低過載保護功能。在需要這類電路保護的大多數(shù)應(yīng)用中，如UPS系統(tǒng)或可變頻率驅(qū)動器（VFD），這是一種可接受的折衷方法，因為UPS或VFD系統(tǒng)使用微處理器或固態(tài)型控制電路來檢測和中斷這些低過載電流。在太陽能光伏系統(tǒng)中的數(shù)十、數(shù)百或數(shù)千結(jié)點上使用這類低過載保護電路在成本上是非常不經(jīng)濟的，因此設(shè)計師都使用單獨的OCPD。

　　只要OCPD被設(shè)計和認證為全范圍熔絲，這就是一種完全可接受的設(shè)計。全范圍熔絲被定義為設(shè)計用于中斷UL標示額定值110%與IEC及標示最大中斷額定值113%之間電流的任何熔絲。對UL來說這包括了所有列出的熔絲和一些公認的熔絲。在使用公認熔絲時必須十分小心，要確保這種熔絲也是一種全范圍熔絲。對IEC來說這包括了所有特征名稱以“g”開頭的熔絲（如gPV和gR）。對直流光伏電路保護來說，特征名稱以“a”開頭的熔絲是不可接受的，不應(yīng)該使用。

　　其它光伏系統(tǒng)電路保護問題

　　除了太陽能電池板與電池串保護器件的重要協(xié)調(diào)和全范圍保護要求外，UL和IEC標準還涉及太陽能光伏系統(tǒng)的其它獨特電氣特性，例如不同環(huán)境條件和高層電流循環(huán)等。

　　太陽能系統(tǒng)經(jīng)常工作在惡劣的室外環(huán)境中，其溫度條件可能導(dǎo)致熱沖擊現(xiàn)象發(fā)生。像UL2579和IEC60269-6中強制要求執(zhí)行的溫度循環(huán)測試有助于確保不會發(fā)生與熔絲工作有關(guān)的顯著溫度漂移（老化特性或其它性能漂移）。針對溫度循環(huán)測試的UL和IEC要求將進一步限制太陽能系統(tǒng)中可以使用的熔絲。

　　太陽能系統(tǒng)使用高電壓高效地傳送能量，這樣的設(shè)計要求與120V或240V設(shè)計有本質(zhì)區(qū)別。在設(shè)計太陽能系統(tǒng)的保護電路和其它單元時，需要將魯棒性、長壽命性能要求謹記在心。雖然對消費電子設(shè)備中的直流電源來說5年壽命是可以接受的，但對太陽能系統(tǒng)來說是完全不可接受的，因為太陽能系統(tǒng)的期望壽命通常長達25年。記住電子器件要在室外工作，暴露在高低溫環(huán)境中，還可能經(jīng)受附近雷擊造成的ESD浪涌。因此選擇具有魯棒性的元件——從電路板走線到匯流條到機械單元——非常重要。外殼應(yīng)該既堅固又能防水。浪涌抑制器件應(yīng)安裝在合適的電路位置。

　　工程師經(jīng)常承受著提供高性價比設(shè)計的壓力，但在光伏系統(tǒng)開發(fā)中走捷徑極易導(dǎo)致問題發(fā)生。舉例來說，在光伏系統(tǒng)匯流箱內(nèi)使用斷路器合并斷開器和OCPD功能似乎很有吸引力，但使用正確認證的器件可能導(dǎo)致非最優(yōu)的成本結(jié)構(gòu)，而使用便宜的器件可能導(dǎo)致安全和可靠性問題。在大多數(shù)情況下，在需要時熔絲、熔絲夾具和獨立斷開器的成本將具有較低的初始成本，維護成本也較低。為了確保正常工作并避免破壞制造商的信譽，許多斷路器制造商要求對他們的產(chǎn)品進行年度測試和重新校準。斷路器必須退出服務(wù)，進行冷卻，然后根據(jù)制造商指令進行重新校準。這種年度維護要求增加了相當(dāng)大的費用、難度和安全危害。

　　本文重點討論了光伏系統(tǒng)直流側(cè)所需的保護電路。然而，如圖1所示，許多其它位置也要求其它電路保護器件。系統(tǒng)設(shè)計師同樣需要保護系統(tǒng)中的其它元件不受瞬態(tài)過壓、ESD和交流過流的破壞。幸運的是，數(shù)十年來像MOV、TVS二極管和交流熔絲等防止這些威脅的器件的應(yīng)用已經(jīng)成為正確設(shè)計并受到保護的其它系統(tǒng)的典型應(yīng)用。這些應(yīng)用在光伏能量系統(tǒng)中一般沒什么區(qū)別，但安全細心的設(shè)計工作仍有很高價值。