小型太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統中的電路保護思考

太陽(yáng)能電池利用半導體器件的光伏效應，把太陽(yáng)輻射能轉換成電能，再通過(guò)電子技術(shù)的轉換加以利用或存儲。太陽(yáng)能電池系統的主要部件是太陽(yáng)能電池、蓄電池、控制器和逆變器，其結構框圖如圖1所示。太陽(yáng)能發(fā)電系統分為獨立太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統和并網(wǎng)太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統。獨立太陽(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)存儲夜晚用電的能量。獨立太陽(yáng)能光伏發(fā)電在民用范圍內主要用于邊遠的鄉村，如家庭系統、村級太陽(yáng)能光伏電站;在工業(yè)范圍內主要用于電訊、衛星廣播電視、太陽(yáng)能水泵，在具備風(fēng)力發(fā)電和小水電的地區還可以組成混合發(fā)電系統，如風(fēng)力發(fā)電/太陽(yáng)能發(fā)電互補系統等。

　　圖1 太陽(yáng)能發(fā)電系統示意圖

　　小型太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統的防雷保護

　　由于太陽(yáng)能電池板所處環(huán)境為戶(hù)外，通常設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(lèi)，其電源連接線(xiàn)路隸屬于4類(lèi)電氣環(huán)境，即互連線(xiàn)按戶(hù)外電纜沿電源電纜敷設并且這些電纜被作為電子和電氣線(xiàn)路的電氣環(huán)境。依據IEC對4類(lèi)電氣系統的防雷保護要求，太陽(yáng)能發(fā)電系統的電力輸入部分需要進(jìn)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。保護級別依據線(xiàn)線(xiàn)間2KV，線(xiàn)地間4KV的要求進(jìn)行設計。保護形式可能需要按不同電路位置進(jìn)行一級至多級防護。由于太陽(yáng)能發(fā)電系統工作場(chǎng)合環(huán)境苛刻，維修周期長(cháng)，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)壓保護解決方案的設計中，除了對過(guò)壓保護器件的浪涌能力進(jìn)行考慮之外，整個(gè)保護方案的工作壽命和抗老化能力都需要進(jìn)行評估;必要時(shí)應采用6KV防護等級。

　　太陽(yáng)能發(fā)電系統中每一塊太陽(yáng)能電池板電纜首先接入太陽(yáng)能系統控制器的匯流箱。因此在匯流箱及控制器的輸入端應使用如圖2所示的過(guò)壓保護設計。其中A、B和C為過(guò)壓保護器件。對于電壓較高的、高可靠要求的系統和設備，應當使用氣體放電管(GDT)和壓敏電阻(MOV)串聯(lián)來(lái)作為A、B和C位置的保護器件來(lái)完成戶(hù)外電纜的防雷保護。而對于電壓低于48VDC的低功率系統，可以直接使用GDT進(jìn)行過(guò)壓保護?？紤]到過(guò)壓保護器件的失效模式，需要過(guò)流保護器件配合保護。在無(wú)人值守或不易維修的場(chǎng)合，應當使用可自恢復的過(guò)流保護器件。泰科電子電路保護部門(mén)對于此類(lèi)的防雷保護，針對不同的應用環(huán)境和保護要求有著(zhù)多種保護方案。

　　圖2 太陽(yáng)能電池匯流盒、控制器輸入端防雷保護

　　對于太陽(yáng)能發(fā)電系統的直流負載也可以采用上述的方案來(lái)進(jìn)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計。泰科電子電路保護部門(mén)對此同樣有著(zhù)深厚的經(jīng)驗積累和多樣的解決方案。

　　圖3 太陽(yáng)能發(fā)電系統交流負載防雷保護電路

　　控制器和逆變器的過(guò)壓/過(guò)流/過(guò)熱保護

　　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定的，太陽(yáng)能控制器和逆變器要將其轉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(mén)推出的2Pro過(guò)流過(guò)壓綜合保護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問(wèn)題。2Pro將聚合物型正溫度系數(PPTC)可恢復過(guò)溫過(guò)流保護器件與傳統壓敏電阻(MOV)貼合在一起使用。2Pro除了可對雷擊，浪涌等瞬態(tài)過(guò)壓保護之外，在電壓波動(dòng)或失中線(xiàn)等長(cháng)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MOV不會(huì )因為長(cháng)時(shí)間過(guò)壓而燃燒損壞。同時(shí)2Pro還可針對短路等過(guò)流故障進(jìn)行保護，并在故障排除之后，自動(dòng)恢復到正常工作狀態(tài)，免去了更換器件等繁重的維護過(guò)程。圖4所示為2Pro產(chǎn)品的應用電路和實(shí)物圖。

　　圖4 2Pro產(chǎn)品電路和實(shí)物圖