1500V光伏發(fā)電系統(tǒng)的電源應(yīng)用方案

摘要：針對(duì)當(dāng)前1500V光伏發(fā)電技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)和相關(guān)配件市場(chǎng)需求，廣州金升陽科技有限公司匠心研制并推出與之相匹配的PVxx-29Bxx 系列電源，可直接從1500V高壓端取電為光伏系統(tǒng)的監(jiān)控電路供電，簡化光伏系統(tǒng)電路的設(shè)計(jì)，可以避免采用市電或蓄電池供電而引起的建設(shè)、維護(hù)成本過高問題，提升光伏發(fā)電系統(tǒng)綜合效益。該產(chǎn)品具有的多重保護(hù)功能，在電源模塊或者外部電路工作異常時(shí)，進(jìn)一步提升電源及其負(fù)載的安全性能。

一、引言

2015年巴黎氣候大會(huì)在《聯(lián)合國氣候變化框架公約》下達(dá)成一項(xiàng)“具有法律約束力的并適用于各方的”全球低碳減排新協(xié)議，進(jìn)一步推動(dòng)光伏、風(fēng)電等綠色環(huán)保新能源發(fā)展和普及。2015年我國通過《經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展“十三五”規(guī)劃》，其中光伏發(fā)電市場(chǎng)將持續(xù)壯大，初步規(guī)劃裝機(jī)目標(biāo)將達(dá)1.5億千瓦。有內(nèi)外政策性、需求的引導(dǎo)和支持，以及能源物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展，使得光伏發(fā)電進(jìn)一步規(guī)模化、智能化，有利于減低光伏發(fā)電成本，促進(jìn)技術(shù)創(chuàng)新和產(chǎn)業(yè)升級(jí)。

全球光伏產(chǎn)業(yè)的發(fā)展目標(biāo)都是要和傳統(tǒng)的電力進(jìn)行競爭，以提供更低成本、更高收益的清潔能源。當(dāng)前主流的光伏發(fā)電系統(tǒng)是基于1000V直流段電壓設(shè)計(jì)和建造的，但從系統(tǒng)的角度來看，若有更高的輸入、輸出電壓等級(jí)，可以降低交直流側(cè)線損及變壓器低壓側(cè)繞組損耗，電站的系統(tǒng)效率預(yù)期可以提升 1.5-2%。GTM的的分析報(bào)告《2016-2022年1500V光伏系統(tǒng)和部件：成本、供應(yīng)商與預(yù)期》預(yù)計(jì)，在2016年全球?qū)?500V光伏系統(tǒng)的需求將占9%左右，相當(dāng)于約4.6GW。因此，1500V光伏發(fā)電系統(tǒng)必將是未來發(fā)展趨勢(shì)。

二、光伏發(fā)電系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)及組件要求

在太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)中，為了減少光伏電池陣列與逆變器之間的連線，以組串形式構(gòu)建光伏陣列，再將相應(yīng)數(shù)量光伏陣列并聯(lián)接入光伏匯流箱進(jìn)行電能匯流，經(jīng)直流柜輸出給光伏逆變器，逆變升壓后并入電網(wǎng)，因此完整的光伏發(fā)電系統(tǒng)包括光伏陣列組、光伏匯流箱、直流柜、光伏逆變器、升壓變壓器等部分。如圖一所示：

不同地域、季節(jié)的光照強(qiáng)度不同，以及早晚陽光照射度也不一樣，光伏陣列輸出電壓是系統(tǒng)最高電壓范圍內(nèi)存在較大波動(dòng)。光伏匯流箱需監(jiān)測(cè)每組光伏陣列的電壓、電流、功率、防雷等狀態(tài)，并實(shí)現(xiàn)光伏陣列的故障報(bào)警、定位和通信等功能。光伏逆變器在進(jìn)行電能交直流轉(zhuǎn)換時(shí)，需監(jiān)控轉(zhuǎn)換過程的電壓、電流等，并驅(qū)動(dòng)控制功率器件工作。由于光伏陣列輸出電壓高達(dá)1kV以上，普通模塊電源無法從高壓線路上直接取電工作，若采用外部獨(dú)立電源給多個(gè)光伏匯流箱和逆變器等監(jiān)控單元供電，則存在工作電壓不穩(wěn)定、系統(tǒng)布線問題、單個(gè)匯流箱短路故障會(huì)導(dǎo)致整個(gè)監(jiān)控系統(tǒng)供電終止等問題。

因此，光伏發(fā)電系統(tǒng)對(duì)模塊電源有以下幾點(diǎn)要求：

• 200-1500VDC電壓輸入，輸出12V/15V/24V等常規(guī)電壓

• 輸入輸出之間可以承受較高的隔離電壓特性

• 具備輸入欠壓、防反接等保護(hù)，具備輸出過流、短路、過壓等保護(hù)功能

• 要滿足不同地域的極端工作溫差要求

針對(duì)光伏發(fā)電系統(tǒng)的高壓特性及應(yīng)用需求，廣州金升陽科技有限公司特別研發(fā)出一款200-1500VDC電壓輸入、4000VAC隔離的模塊電源，并結(jié)合光伏系統(tǒng)各單元電路安全隔離特性，提供一整套控制單元的電源方案。

三、光伏匯流箱監(jiān)控單元電源方案

為了進(jìn)一步提高系統(tǒng)的可靠性和實(shí)用性，在光伏匯流箱里配置了光伏專用直流防雷模塊、直流熔斷器和斷路器，并設(shè)置工作狀態(tài)監(jiān)測(cè)、控制處理、通信等功能電路。

如圖二所示，在光伏匯流箱系統(tǒng)中，PVxx-29B24系列具備的200-1500VDC電壓輸入、4000VAC隔離耐壓、高可靠特性，可從高壓端直接取電，經(jīng)轉(zhuǎn)換輸出24VDC電壓給監(jiān)控電路供電。采用F0505S-1WR2給霍爾傳感器隔離供電，充分確保高低壓之間安全隔離，;采用 B0503XT-2WR2模塊進(jìn)行隔離轉(zhuǎn)換輸出3.3V給MCU供電;通信采用集成隔離電源的TD501D485H通信模塊，可抑制電磁干擾和消除接地環(huán)路影響。整體電源方案在滿足功能需求及安全隔離，同時(shí)又便于整體系統(tǒng)簡化設(shè)計(jì)和穩(wěn)定可靠。

四、光伏逆變器監(jiān)控單元電源方案

在前端匯流箱進(jìn)行電能匯流，由直流柜檢測(cè)后，轉(zhuǎn)向逆變器進(jìn)行直流轉(zhuǎn)換成交流。逆變器在工作過程中，同樣需要轉(zhuǎn)換過程監(jiān)測(cè)、控制和通信，以保證逆變電壓滿足指標(biāo)要求。此部分監(jiān)控單元可直接從高壓(200-1500VDC)母線上取電工作。

如圖三所示，由PV系列模塊電源直接從高壓母線上取電轉(zhuǎn)換輸出24V，再經(jīng)過非隔離轉(zhuǎn)換模塊K7805-500R3輸出5VDC電壓;B0503XT-2WR2給MCU提供滿足功能隔離耐壓的3.3V工作電壓;采用隔離、高速的TD501D485H通信模塊，可抑制電磁干擾和消除接地環(huán)路,保護(hù)系統(tǒng)電路免受外部網(wǎng)絡(luò)影響;另外，金升陽專門針對(duì)逆變?nèi)珮虻腎GBT開發(fā)一款集成有DC-DC電源的隔離驅(qū)動(dòng)器QP12W08S-37，簡化客戶驅(qū)動(dòng)控制電路的設(shè)計(jì)，提高可靠性。

五、PVxx-29Bxx 系列模塊電源的簡介

PVxx-29Bxx系列是200-1500VDC電壓輸入、4000VAC隔離耐壓、高可靠DC-DC開關(guān)穩(wěn)壓電源模塊，可廣泛應(yīng)用于光伏發(fā)電和高壓變頻等場(chǎng)合，為負(fù)載設(shè)備提供穩(wěn)定的工作電壓，且其自帶的多重保護(hù)功能可提升模塊電源工作異常情況下電源及其負(fù)載的安全性能。

產(chǎn)品特點(diǎn)：

• 超寬壓范圍輸入：200 ~ 1500VDC

• 工業(yè)級(jí)工作溫度：-40℃ ~ +70℃

• 4000VAC 高隔離電壓

• 高效率、低紋波噪聲

• 輸入欠壓保護(hù)、防反接保護(hù)，輸出短路、過流、過壓保護(hù)

• 5000m高海拔工作

• 符合 EN62109 認(rèn)證

• PCB、接線式和導(dǎo)軌式等多種安裝方式

PVxx-29Bxx系列電源的原理框圖如圖五所示，采用反激拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，選擇成熟可靠的PWM型控制IC，功率轉(zhuǎn)換電路進(jìn)行高壓雙管串聯(lián)形式和隔離驅(qū)動(dòng)的設(shè)計(jì)，高壓啟動(dòng)部分采用金升陽高壓啟動(dòng)專利技術(shù)，同時(shí)產(chǎn)品具有輸入欠壓、輸出過流、短路過壓等多重保護(hù)電路，從而實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的高可靠特性。

六、小結(jié)

光伏能源的逐步規(guī)?；?、普及化，是全球面向未來能源需求的健康合理化發(fā)展趨勢(shì)。金升陽積極參與能源技術(shù)綠色化發(fā)展，結(jié)合自身技術(shù)平臺(tái)優(yōu)勢(shì)和自主創(chuàng)新能力，針對(duì)光伏發(fā)電系統(tǒng)的測(cè)試監(jiān)控單元的特性需求，精心研發(fā)新一代1500V高壓光伏專用電源模塊PVxx_29Bxx系列產(chǎn)品，并提供一整套監(jiān)控單元電源應(yīng)用方案，簡化光伏發(fā)電系統(tǒng)的電路方案，降低光伏系統(tǒng)的建設(shè)和維護(hù)成本，綜合提升系統(tǒng)的穩(wěn)定性、安全性、可靠性。