光伏電子系統電路保護設計

　　斷路器經(jīng)常是太陽(yáng)能系統的交流側電路首選的保護方案，而在直流側使用相同的斷路器也可能非常有吸引力。雖然斷路器方案一般來(lái)說(shuō)非常方便，但并不總是最佳方法。設計師必須仔細判斷太陽(yáng)能系統直流側使用的電路保護器件是否是根據相關(guān)光伏標準設計的，并已經(jīng)得到了美國保險商實(shí)驗室（Underwriters Laboratories）（UL）或VDE等外部機構的標準測試和認證，從而確信器件能夠在發(fā)生故障事件時(shí)正常動(dòng)作。對電路保護器件來(lái)說(shuō)中斷直流電壓比中斷等效RMS交流電壓困難得多。這里的根本原因是：交流電壓在每個(gè)電壓周期上有兩次到達零電壓點(diǎn)，這是影響電路保護器件安全中斷電壓并隔離故障電路的關(guān)鍵因素。

　　鑒于太陽(yáng)能光伏電池板產(chǎn)生的是直流電能，因此對光伏電池板接收到的給定光能來(lái)說(shuō)電流和電壓是穩定的。由于存在高電壓直流電流，典型的電路保護器件很難在太陽(yáng)能系統中可能發(fā)生的各種工作條件中可靠地中斷電路。在最壞情況下，不是為直流光伏系統設計和認證的電路保護器件可能突然發(fā)生故障，并造成設備損壞、起火甚至可以傷害人身安全。然而最常見(jiàn)的問(wèn)題是，在典型的光伏系統過(guò)流條件下器件的工作速度不夠快。

　　例如在某個(gè)電池串中，短路電流（ISC）可能不比正常電流大許多。典型的太陽(yáng)能電池串在正常工作時(shí)的輸出電流可能是4.2A，它的前向ISC約為4.5A。當與小型450VDC 10kW系統中的其它電池串組合在一起時(shí)，要求正常尺寸的10A過(guò)流保護器件（OCPD）在電池串故障事件發(fā)生時(shí)中斷的短路電流大約是20A。這些高直流電壓、低過(guò)載條件在設計高成本效益的OCPD時(shí)是一個(gè)艱巨的挑戰，因為這些OCPD需要在適當的電壓、電流和濕度范圍內中斷電路。

　　基于上述這些理由，最常見(jiàn)的第一道防線(xiàn)是熔絲形式的OCPD（圖3）。天生是無(wú)源器件的熔絲在成本上要低于具有相同性能特征的斷路器。這些光伏系統熔絲和它們的測試在UL標準2579（用于光伏系統的低壓熔絲）和IEC標準60269-6中有描述。這些熔絲標準是與光伏電池板標準UL 1703和IEC60129以及逆變器標準UL1741和IEC61727配套制定的。

　　圖3：帶熔絲和其它走線(xiàn)器件的典型電池串匯流箱框圖。

　　根據具體應用和系統設計，直流電池串電壓一般在300V至1000V范圍內，但在連接電網(wǎng)的系統中也有可能高達1500VDC。因此必須為匯流箱選擇合適的熔絲、斷開(kāi)器、走線(xiàn)器件等。另外，UL和IEC標準對這些應用中使用的OCPD有特殊的性能要求。

　　當OCPD是熔絲時(shí)，它必須能夠保護在短路電流額定值工作的光伏源電路，并且在電路發(fā)生故障時(shí)也能保護光伏源電路。NEC文章將故障電流定義為光伏電流ISC的125%加上與正常電流方向相反的任何反向或反饋電流。

　　一般來(lái)說(shuō)，故障期間的反向電流源可能來(lái)自受影響陣列中的其它電池串的后饋電流（IBACKFEED），見(jiàn)圖4?？梢越朴肐sc x （n-1）公式計算出來(lái)，其中n等于受影響陣列中的電池串數量。UL1703和IEC60129定義了光伏電池測試規范，確保在等于或小于Istring fuse x 135%的后饋電流持續2個(gè)小時(shí)的情況下電池板不會(huì )發(fā)生危險的過(guò)熱狀況。UL光伏熔絲標準后來(lái)將光伏熔絲開(kāi)路特性定義為不超過(guò)Istring fuse x 135%的電流持續1個(gè)小時(shí)。這樣就能在使用帶UL熔絲的UL或IEC電池板時(shí)保證正確協(xié)調工作。

　　圖4：由于故障造成的反饋電流。