小型太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)中的電路保護思考

太陽能電池利用半導(dǎo)體器件的光伏效應(yīng)，把太陽輻射能轉(zhuǎn)換成電能，再通過電子技術(shù)的轉(zhuǎn)換加以利用或存儲。太陽能電池系統(tǒng)的主要部件是太陽能電池、蓄電池、控制器和逆變器，其結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。太陽能發(fā)電系統(tǒng)分為獨立太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)和并網(wǎng)太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)。獨立太陽能光伏發(fā)電是指太陽能光伏發(fā)電不與電網(wǎng)連接的發(fā)電方式，典型特征為需要蓄電池來存儲夜晚用電的能量。獨立太陽能光伏發(fā)電在民用范圍內(nèi)主要用于邊遠的鄉(xiāng)村，如家庭系統(tǒng)、村級太陽能光伏電站;在工業(yè)范圍內(nèi)主要用于電訊、衛(wèi)星廣播電視、太陽能水泵，在具備風(fēng)力發(fā)電和小水電的地區(qū)還可以組成混合發(fā)電系統(tǒng)，如風(fēng)力發(fā)電/太陽能發(fā)電互補系統(tǒng)等。

　　圖1 太陽能發(fā)電系統(tǒng)示意圖

　　小型太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)的防雷保護

　　由于太陽能電池板所處環(huán)境為戶外，通常設(shè)立在空曠處或高處以保證日照。按照IEC61000-4-5電氣環(huán)境分類，其電源連接線路隸屬于4類電氣環(huán)境，即互連線按戶外電纜沿電源電纜敷設(shè)并且這些電纜被作為電子和電氣線路的電氣環(huán)境。依據(jù)IEC對4類電氣系統(tǒng)的防雷保護要求，太陽能發(fā)電系統(tǒng)的電力輸入部分需要進行防雷保護，這包括交流電力輸入電路、充放電回路和逆變電路。保護級別依據(jù)線線間2KV，線地間4KV的要求進行設(shè)計。保護形式可能需要按不同電路位置進行一級至多級防護。由于太陽能發(fā)電系統(tǒng)工作場合環(huán)境苛刻，維修周期長，無人值守，使用壽命要求高等各種特殊需求，需要在進行過壓保護解決方案的設(shè)計中，除了對過壓保護器件的浪涌能力進行考慮之外，整個保護方案的工作壽命和抗老化能力都需要進行評估;必要時應(yīng)采用6KV防護等級。

　　太陽能發(fā)電系統(tǒng)中每一塊太陽能電池板電纜首先接入太陽能系統(tǒng)控制器的匯流箱。因此在匯流箱及控制器的輸入端應(yīng)使用如圖2所示的過壓保護設(shè)計。其中A、B和C為過壓保護器件。對于電壓較高的、高可靠要求的系統(tǒng)和設(shè)備，應(yīng)當(dāng)使用氣體放電管(GDT)和壓敏電阻(MOV)串聯(lián)來作為A、B和C位置的保護器件來完成戶外電纜的防雷保護。而對于電壓低于48VDC的低功率系統(tǒng)，可以直接使用GDT進行過壓保護?？紤]到過壓保護器件的失效模式，需要過流保護器件配合保護。在無人值守或不易維修的場合，應(yīng)當(dāng)使用可自恢復(fù)的過流保護器件。泰科電子電路保護部門對于此類的防雷保護，針對不同的應(yīng)用環(huán)境和保護要求有著多種保護方案。

　　圖2 太陽能電池匯流盒、控制器輸入端防雷保護

　　對于太陽能發(fā)電系統(tǒng)的直流負載也可以采用上述的方案來進行防雷保護。而對于交流負載的防雷保護(即逆變器的輸出端)，則需要使用圖3所示的的保護電路設(shè)計。泰科電子電路保護部門對此同樣有著深厚的經(jīng)驗積累和多樣的解決方案。

　　圖3 太陽能發(fā)電系統(tǒng)交流負載防雷保護電路

　　控制器和逆變器的過壓/過流/過熱保護

　　由于太陽能電池陣列提供直流電的電壓和電流都是不穩(wěn)定的，太陽能控制器和逆變器要將其轉(zhuǎn)換成終端負載或者電網(wǎng)要求的電壓和電流。避免控制器和逆變器遭受ESD以及其它電磁干擾的損害是必要的。除了ESD器件外，泰科電子電路保護部門推出的2Pro過流過壓綜合保護器件可有效解決太陽能控制器和逆變器通訊端口的電路保護問題。2Pro將聚合物型正溫度系數(shù)(PPTC)可恢復(fù)過溫過流保護器件與傳統(tǒng)壓敏電阻(MOV)貼合在一起使用。2Pro除了可對雷擊，浪涌等瞬態(tài)過壓保護之外，在電壓波動或失中線等長時間過壓故障中，由于PPTC與MOV貼合在一起，MOV發(fā)散出來的熱將觸發(fā)PPTC使其動作進入高阻態(tài)，因而可以保護MOV不會因為長時間過壓而燃燒損壞。同時2Pro還可針對短路等過流故障進行保護，并在故障排除之后，自動恢復(fù)到正常工作狀態(tài)，免去了更換器件等繁重的維護過程。圖4所示為2Pro產(chǎn)品的應(yīng)用電路和實物圖。

　　圖4 2Pro產(chǎn)品電路和實物圖