小型太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)中的電路保護

　　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)和利用太陽能已經(jīng)成為了最具前途和回報，最就手可熱的技術(shù)。其中太陽能發(fā)電是對太陽能的直接轉(zhuǎn)化和利用。

　　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

　　由于作為儲能部件的可充電電池在充電程度改變時，電壓變化范圍較大。對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部門的PolyZen器件，PolyZen器件可以更精確地保護昂貴的控制、驅(qū)動芯片，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)用電路和實物圖。

圖5 PolyZen器件電路和實物圖

　　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)定工作條件下運行，也會出現(xiàn)隨機、不可預(yù)測并且呈現(xiàn)不同阻值的阻性短路。出現(xiàn)電阻失效時，僅10W的功率就可能產(chǎn)生溫度在180℃以上的局部熱點，遠遠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。

　　泰科電子電路保護部門新推出的RTP器件具有既適合最高溫度達 260℃的無鉛回流焊工藝，又能在激活后在200℃斷開進行溫度保護。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，有助于防止誤動作，提高系統(tǒng)可靠性。 同時該溫度低于常見無鉛焊料熔點。所以，當(dāng)旁邊的器件在規(guī)定溫度范圍內(nèi)工作時，RTP器件不會斷開電路，但在器件脫焊和形成額外短路的潛在風(fēng)險之前會斷開電路。這種適合回流焊的表面貼裝溫度保險器件相對于需要手工焊接的插腳溫度保險絲，在裝配焊接后具有良好的可靠性和一致性。

　　儲能電池組的保護

　　在太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)中，儲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)的過流保護和溫度檢測可有效保護電池組、減少此類故障造成的性能下降和安全隱患。

　　任何類型的儲能電池組在運輸、安裝及使用時都有可能遭遇外部短路。為防止電池組短路引起的嚴重后果，過流保護是必須的。除了PolySwitch自恢復(fù)保險絲以外，泰科電子電路保護部門還研發(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)由一個雙金屬片保護器和一個聚合物正溫度系數(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產(chǎn)生的拉弧，故而延長了觸電的壽命。由于該器件是密封且無弧，特別適合防暴場合的應(yīng)用。

圖6 MHP30-36實物圖和機械尺寸圖

　　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器的初始電阻(通常為3至4mΩ)。該系列的產(chǎn)品能為太陽能發(fā)電系統(tǒng)中的儲能系統(tǒng)提供更可靠和安全的電路保護。

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

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

　　太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)的負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、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)備也需要不同等級的電路保護。在設(shè)計這些保護時，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，以達到最好的保護系統(tǒng)的效果。在這方面，泰科電子瑞侃電路保護部擁有豐富的經(jīng)驗，竭誠為業(yè)內(nèi)客戶提供完整的解決方案。