小型太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)中的電路保護(hù)設(shè)計(jì)

　　隨著能源日益緊缺和環(huán)保壓力的不斷增大，人類更多的依靠可再生能源。開發(fā)和利用太陽(yáng)能已經(jīng)成為了最具前途和回報(bào)，最就手可熱的技術(shù)。其中太陽(yáng)能發(fā)電是對(duì)太陽(yáng)能的直接轉(zhuǎn)化和利用。

　　太陽(yáng)能電池利用半導(dǎo)體器件的光伏效應(yīng)，把太陽(yáng)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(chǔ)。太陽(yáng)能電池系統(tǒng)的主要部件是太陽(yáng)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(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)分為獨(dú)立太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)和并網(wǎng)太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)。獨(dú)立太陽(yáng)能光伏發(fā)電是指太陽(yáng)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(chǔ)夜晚用電的能量。獨(dú)立太陽(yáng)能光伏發(fā)電在民用范圍內(nèi)主要用于邊遠(yuǎn)的鄉(xiāng)村，如家庭系統(tǒng)、村級(jí)太陽(yáng)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(yáng)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(yáng)能發(fā)電互補(bǔ)系統(tǒng)等。

　　圖1 太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)示意圖

　　小型太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)的防雷保護(hù)

　　由于太陽(yáng)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(duì)4類電氣系統(tǒng)的防雷保護(hù)要求，太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)的電力輸入部分需要進(jìn)行防雷保護(hù)，這包括交流電力輸入電路、充放電回路和逆變電路。保護(hù)級(jí)別依據(jù)線線間2KV，線地間4KV的要求進(jìn)行設(shè)計(jì)。保護(hù)形式可能需要按不同電路位置進(jìn)行一級(jí)至多級(jí)防護(hù)。由于太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)工作場(chǎng)合環(huán)境苛刻，維修周期長(zhǎng)，無人值守，使用壽命要求高等各種特殊需求，需要在進(jìn)行過壓保護(hù)解決方案的設(shè)計(jì)中，除了對(duì)過壓保護(hù)器件的浪涌能力進(jìn)行考慮之外，整個(gè)保護(hù)方案的工作壽命和抗老化能力都需要進(jìn)行評(píng)估；必要時(shí)應(yīng)采用6KV防護(hù)等級(jí)。

　　太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)中每一塊太陽(yáng)能電池板電纜首先接入太陽(yáng)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(hù)設(shè)計(jì)。其中A、B和C為過壓保護(hù)器件。對(duì)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(hù)器件來完成戶外電纜的防雷保護(hù)。而對(duì)于電壓低于48VDC的低功率系統(tǒng)，可以直接使用GDT進(jìn)行過壓保護(hù)。考慮到過壓保護(hù)器件的失效模式，需要過流保護(hù)器件配合保護(hù)。在無人值守或不易維修的場(chǎng)合，應(yīng)當(dāng)使用可自恢復(fù)的過流保護(hù)器件。泰科電子電路保護(hù)部門對(duì)于此類的防雷保護(hù)，針對(duì)不同的應(yīng)用環(huán)境和保護(hù)要求有著多種保護(hù)方案。

　　圖2 太陽(yáng)能電池匯流盒、控制器輸入端防雷保護(hù)

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

　　圖3 太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)交流負(fù)載防雷保護(hù)電路

　　控制器和逆變器的過壓/過流/過熱保護(hù)

　　由于太陽(yáng)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(yáng)能控制器和逆變器要將其轉(zhuǎn)換成終端負(fù)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(hù)部門推出的2Pro過流過壓綜合保護(hù)器件可有效解決太陽(yáng)能控制器和逆變器通訊端口的電路保護(hù)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(hù)器件與傳統(tǒng)壓敏電阻（MOV）貼合在一起使用。2Pro除了可對(duì)雷擊，浪涌等瞬態(tài)過壓保護(hù)之外，在電壓波動(dòng)或失中線等長(zhǎng)時(shí)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(dòng)作進(jìn)入高阻態(tài)，因而可以保護(hù)MOV不會(huì)因?yàn)殚L(zhǎng)時(shí)間過壓而燃燒損壞。同時(shí)2Pro還可針對(duì)短路等過流故障進(jìn)行保護(hù)，并在故障排除之后，自動(dòng)恢復(fù)到正常工作狀態(tài)，免去了更換器件等繁重的維護(hù)過程。圖4所示為2Pro產(chǎn)品的應(yīng)用電路和實(shí)物圖。

　　圖4 2Pro產(chǎn)品電路和實(shí)物圖

　　由于作為儲(chǔ)能部件的可充電電池在充電程度改變時(shí)，電壓變化范圍較大。對(duì)于控制器和逆變器的核心控制單元可以使用泰科電子電路保護(hù)部門的PolyZen器件，PolyZen器件可以更精確地保護(hù)昂貴的控制、驅(qū)動(dòng)芯片，防止其在電壓過高地情況下?lián)p壞。圖5所示的為PolyZen器件的應(yīng)用電路和實(shí)物圖。

　　圖5 PolyZen器件電路和實(shí)物圖

　　在控制器、逆變器的電路中，大功率的半導(dǎo)體開關(guān)器件用于電力轉(zhuǎn)換開關(guān)。這些器件即使在規(guī)定工作條件下運(yùn)行，也會(huì)出現(xiàn)隨機(jī)、不可預(yù)測(cè)并且呈現(xiàn)不同阻值的阻性短路。出現(xiàn)電阻失效時(shí)，僅10W的功率就可能產(chǎn)生溫度在180℃以上的局部熱點(diǎn)，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于典型的印刷電路板玻璃躍變溫度（135℃），造成電路板的環(huán)氧結(jié)構(gòu)損壞，并產(chǎn)生熱故障事件； 最終可能導(dǎo)致器件及印刷電路板過熱、冒煙甚至起火。

　　泰科電子電路保護(hù)部門新推出的RTP器件具有既適合最高溫度達(dá) 260℃的無鉛回流焊工藝，又能在激活后在200℃斷開進(jìn)行溫度保護(hù)。200℃的斷開溫度高于大部分正常工作的電子器件的正常工作溫度范圍，有助于防止誤動(dòng)作，提高系統(tǒng)可靠性。 同時(shí)該溫度低于常見無鉛焊料熔點(diǎn)。所以，當(dāng)旁邊的器件在規(guī)定溫度范圍內(nèi)工作時(shí)，RTP器件不會(huì)斷開電路，但在器件脫焊和形成額外短路的潛在風(fēng)險(xiǎn)之前會(huì)斷開電路。這種適合回流焊的表面貼裝溫度保險(xiǎn)器件相對(duì)于需要手工焊接的插腳溫度保險(xiǎn)絲，在裝配焊接后具有良好的可靠性和一致性。

　　儲(chǔ)能電池組的保護(hù)

　　在太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)中，儲(chǔ)能電池的性能和安全也是非常重要的。不管是鉛酸電池還是鋰離子電池構(gòu)成的儲(chǔ)能電池組，在接線安裝過程中、在使用中都存在電纜短路、電池正負(fù)極誤接短路、或電池組溫度過高等潛在故障。這些故障輕則損壞設(shè)備電路，重則造成財(cái)產(chǎn)、人身安全事故。在電池組中合理使用基于PPTC技術(shù)的過流保護(hù)和溫度檢測(cè)可有效保護(hù)電池組、減少此類故障造成的性能下降和安全隱患。

　　任何類型的儲(chǔ)能電池組在運(yùn)輸、安裝及使用時(shí)都有可能遭遇外部短路。為防止電池組短路引起的嚴(yán)重后果，過流保護(hù)是必須的。除了PolySwitch自恢復(fù)保險(xiǎn)絲以外，泰科電子電路保護(hù)部門還研發(fā)了MHP混合器件。這種MHP器件采用了一種新的混合式技術(shù)，它可提供一種可恢復(fù)得、緊湊、穩(wěn)健的電路保護(hù)器件。它能在額定電壓超過30VDC的情況下提供30A以上的工作電流。這種金屬混合PPTC器件（MHP）由一個(gè)雙金屬片保護(hù)器和一個(gè)聚合物正溫度系數(shù)（PPTC）器件并聯(lián)而成。這種組合既能提供可復(fù)位的過電流保護(hù)功能，又可利用PPTC器件的低電阻特性來防止雙金屬片在大電流條件下產(chǎn)生電弧，同時(shí)還能加熱雙金屬片，使其保持在打開 鎖定狀態(tài)。這種器件避免了電路斷開時(shí)產(chǎn)生的拉弧，故而延長(zhǎng)了觸電的壽命。由于該器件是密封且無弧，特別適合防暴場(chǎng)合的應(yīng)用。

　　圖6 MHP30-36實(shí)物圖和機(jī)械尺寸圖

　　圖6所示的MHP30-36器件是泰科電子規(guī)劃的MHP產(chǎn)品系列中的首批器件，最大額定值為36VDC/100A，在100A （@25°C）條件下的跳閘時(shí)間小于5秒。這些器件的工作電流為30A，初始電阻不到2mΩ，低于常見雙金屬保護(hù)器的初始電阻（通常為3至4mΩ）。該系列的產(chǎn)品能為太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)中的儲(chǔ)能系統(tǒng)提供更可靠和安全的電路保護(hù)。

　　由于充、放電及能量密度等方面的優(yōu)勢(shì)，越來越多的鋰離子電池組用于太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)中。鋰離子電池組的安全保護(hù)的要求更加嚴(yán)格。除了傳統(tǒng)過流、過溫（過沖引起的）保護(hù)要求之外，高串鋰離子電池的均衡以及電壓檢測(cè)電路的保護(hù)問題均隨之而來。泰科電子電路保護(hù)部門成功為高串鋰離子電池組客戶提供了涉及過溫檢測(cè)保護(hù)，以及均衡及電壓檢測(cè)電路短路保護(hù)的解決方案，并在客戶應(yīng)用中得到了很好的驗(yàn)證。圖7所示即為PPTC在高串鋰離子電池組中的應(yīng)用，主要用于檢測(cè)電池組內(nèi)部溫度實(shí)現(xiàn)過溫保護(hù)和防止電池在均衡或者電壓檢測(cè)過程中的短路狀況。

　　圖7 PPTC在高串鋰離子中的應(yīng)用：溫度檢測(cè)保護(hù)以及均衡/電壓檢測(cè)短路保護(hù)

　　太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)的負(fù)載可以是多種多樣的子系統(tǒng)或設(shè)備，譬如LED照明燈具，野外無人值守檢測(cè)、記錄或通訊設(shè)施等。依據(jù)子系統(tǒng)的特征和使用環(huán)境不同，子系統(tǒng)及設(shè)備也需要不同等級(jí)的電路保護(hù)。在設(shè)計(jì)這些保護(hù)時(shí)，應(yīng)當(dāng)從系統(tǒng)的角度出發(fā)，協(xié)同耦合各設(shè)備、各子系統(tǒng)保護(hù)，以達(dá)到最好的保護(hù)系統(tǒng)的效果。在這方面，泰科電子瑞侃電路保護(hù)部擁有豐富的經(jīng)驗(yàn)，竭誠(chéng)為業(yè)內(nèi)客戶提供完整的解決方案。