小型太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)中的電路保護(hù)思考

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(guò)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(lái)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(wú)人值守，使用壽命要求高等各種特殊需求，需要在進(jìn)行過(guò)壓保護(hù)解決方案的設(shè)計(jì)中，除了對(duì)過(guò)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(guò)壓保護(hù)設(shè)計(jì)。其中A、B和C為過(guò)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(lái)作為A、B和C位置的保護(hù)器件來(lái)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(guò)壓保護(hù)。考慮到過(guò)壓保護(hù)器件的失效模式，需要過(guò)流保護(hù)器件配合保護(hù)。在無(wú)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(guò)流保護(hù)器件。泰科電子電路保護(hù)部門(mén)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(lái)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(mén)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(guò)壓/過(guò)流/過(guò)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(mén)推出的2Pro過(guò)流過(guò)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(wèn)題。2Pro將聚合物型正溫度系數(shù)(PPTC)可恢復(fù)過(guò)溫過(guò)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(guò)壓保護(hù)之外，在電壓波動(dòng)或失中線等長(zhǎng)時(shí)間過(guò)壓故障中，由于PPTC與MOV貼合在一起，MOV發(fā)散出來(lái)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(guò)壓而燃燒損壞。同時(shí)2Pro還可針對(duì)短路等過(guò)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(guò)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