1500V光伏發(fā)電系統(tǒng)的電源應用方案

摘要：針對當前1500V光伏發(fā)電技術的發(fā)展趨勢和相關配件市場需求，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)電路的設計，可以避免采用市電或蓄電池供電而引起的建設、維護成本過高問題，提升光伏發(fā)電系統(tǒng)綜合效益。該產(chǎn)品具有的多重保護功能，在電源模塊或者外部電路工作異常時，進一步提升電源及其負載的安全性能。

一、引言

2015年巴黎氣候大會在《聯(lián)合國氣候變化框架公約》下達成一項“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，進一步推動光伏、風電等綠色環(huán)保新能源發(fā)展和普及。2015年我國通過《經(jīng)濟和社會發(fā)展“十三五”規(guī)劃》，其中光伏發(fā)電市場將持續(xù)壯大，初步規(guī)劃裝機目標將達1.5億千瓦。有內外政策性、需求的引導和支持，以及能源物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展，使得光伏發(fā)電進一步規(guī)?；?、智能化，有利于減低光伏發(fā)電成本，促進技術創(chuàng)新和產(chǎn)業(yè)升級。

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

二、光伏發(fā)電系統(tǒng)基本結構及組件要求

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，以組串形式構建光伏陣列，再將相應數(shù)量光伏陣列并聯(lián)接入光伏匯流箱進行電能匯流，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)最高電壓范圍內存在較大波動。光伏匯流箱需監(jiān)測每組光伏陣列的電壓、電流、功率、防雷等狀態(tài)，并實現(xiàn)光伏陣列的故障報警、定位和通信等功能。光伏逆變器在進行電能交直流轉換時，需監(jiān)控轉換過程的電壓、電流等，并驅動控制功率器件工作。由于光伏陣列輸出電壓高達1kV以上，普通模塊電源無法從高壓線路上直接取電工作，若采用外部獨立電源給多個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、單個匯流箱短路故障會導致整個監(jiān)控系統(tǒng)供電終止等問題。

因此，光伏發(fā)電系統(tǒng)對模塊電源有以下幾點要求：

• 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，具備輸出過流、短路、過壓等保護功能

• 要滿足不同地域的極端工作溫差要求

針對光伏發(fā)電系統(tǒng)的高壓特性及應用需求，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

為了進一步提高系統(tǒng)的可靠性和實用性，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，并設置工作狀態(tài)監(jiān)測、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模塊進行隔離轉換輸出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，同時又便于整體系統(tǒng)簡化設計和穩(wěn)定可靠。

四、光伏逆變器監(jiān)控單元電源方案

在前端匯流箱進行電能匯流，由直流柜檢測后，轉向逆變器進行直流轉換成交流。逆變器在工作過程中，同樣需要轉換過程監(jiān)測、控制和通信，以保證逆變電壓滿足指標要求。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換輸出24V，再經(jīng)過非隔離轉換模塊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,保護系統(tǒng)電路免受外部網(wǎng)絡影響;另外，金升陽專門針對逆變全橋的IGBT開發(fā)一款集成有DC-DC電源的隔離驅動器QP12W08S-37，簡化客戶驅動控制電路的設計，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開關穩(wěn)壓電源模塊，可廣泛應用于光伏發(fā)電和高壓變頻等場合，為負載設備提供穩(wěn)定的工作電壓，且其自帶的多重保護功能可提升模塊電源工作異常情況下電源及其負載的安全性能。

產(chǎn)品特點：

• 超寬壓范圍輸入：200 ~ 1500VDC

• 工業(yè)級工作溫度：-40℃ ~ +70℃

• 4000VAC 高隔離電壓

• 高效率、低紋波噪聲

• 輸入欠壓保護、防反接保護，輸出短路、過流、過壓保護

• 5000m高海拔工作

• 符合 EN62109 認證

• PCB、接線式和導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，采用反激拓撲結構，選擇成熟可靠的PWM型控制IC，功率轉換電路進行高壓雙管串聯(lián)形式和隔離驅動的設計，高壓啟動部分采用金升陽高壓啟動專利技術，同時產(chǎn)品具有輸入欠壓、輸出過流、短路過壓等多重保護電路，從而實現(xiàn)產(chǎn)品的高可靠特性。

六、小結

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。金升陽積極參與能源技術綠色化發(fā)展，結合自身技術平臺優(yōu)勢和自主創(chuàng)新能力，針對光伏發(fā)電系統(tǒng)的測試監(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)的建設和維護成本，綜合提升系統(tǒng)的穩(wěn)定性、安全性、可靠性。