【導(dǎo)讀】隨著太陽(yáng)能系統(tǒng)市場(chǎng)的拓展，綠色能源的理念逐漸席卷全球。高效的光伏能量轉(zhuǎn)換依舊是開發(fā)工作的關(guān)鍵，但是可靠、性價(jià)比高、高效率的太陽(yáng)能傳送方面也成為市場(chǎng)需求的熱點(diǎn)。優(yōu)化光伏系統(tǒng)裝置的性能和成本是設(shè)計(jì)師開發(fā)的重點(diǎn)。
直流與交流電路保護(hù)
斷路器經(jīng)常是太陽(yáng)能系統(tǒng)的交流側(cè)電路首選的保護(hù)方案，而在直流側(cè)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(shè)計(jì)師必須仔細(xì)判斷太陽(yáng)能系統(tǒng)直流側(cè)使用的電路保護(hù)器件是否是根據(jù)相關(guān)光伏標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)的，并已經(jīng)得到了美國(guó)保險(xiǎn)商實(shí)驗(yàn)室(Underwriters Laboratories)(UL)或VDE等外部機(jī)構(gòu)的標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試和認(rèn)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(duì)電路保護(hù)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(dá)零電壓點(diǎn)，這是影響電路保護(hù)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(duì)光伏電池板接收到的給定光能來(lái)說(shuō)電流和電壓是穩(wěn)定的。由于存在高電壓直流電流，典型的電路保護(hù)器件很難在太陽(yáng)能系統(tǒng)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(tǒng)設(shè)計(jì)和認(rèn)證的電路保護(hù)器件可能突然發(fā)生故障，并造成設(shè)備損壞、起火甚至可以傷害人身安全。然而最常見的問(wèn)題是，在典型的光伏系統(tǒng)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(dāng)與小型450VDC 10kW系統(tǒng)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(hù)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(shè)計(jì)高成本效益的OCPD時(shí)是一個(gè)艱巨的挑戰(zhàn)，因?yàn)檫@些OCPD需要在適當(dāng)?shù)碾妷骸㈦娏骱蜐穸确秶鷥?nèi)中斷電路。
基于上述這些理由，最常見的第一道防線是熔絲形式的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(tǒng)熔絲和它們的測(cè)試在UL標(biāo)準(zhǔn)2579(用于光伏系統(tǒng)的低壓熔絲)和IEC標(biāo)準(zhǔn)60269-6中有描述。這些熔絲標(biāo)準(zhǔn)是與光伏電池板標(biāo)準(zhǔn)UL 1703和IEC60129以及逆變器標(biāo)準(zhǔn)UL1741和IEC61727配套制定的。
圖1：帶熔絲和其它走線器件的典型電池串匯流箱框圖
根據(jù)具體應(yīng)用和系統(tǒng)設(shè)計(jì)，直流電池串電壓一般在300V至1000V范圍內(nèi)，但在連接電網(wǎng)的系統(tǒng)中也有可能高達(dá)1500VDC。因此必須為匯流箱選擇合適的熔絲、斷開器、走線器件等。另外，UL和IEC標(biāo)準(zhǔn)對(duì)這些應(yīng)用中使用的OCPD有特殊的性能要求。
當(dāng)OCPD是熔絲時(shí)，它必須能夠保護(hù)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(hù)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)，見圖4。可以近似用Isc x (n-1)公式計(jì)算出來(lái)，其中n等于受影響陣列中的電池串?dāng)?shù)量。UL1703和IEC60129定義了光伏電池測(cè)試規(guī)范，確保在等于或小于Istring fuse x 135%的后饋電流持續(xù)2個(gè)小時(shí)的情況下電池板不會(huì)發(fā)生危險(xiǎn)的過(guò)熱狀況。UL光伏熔絲標(biāo)準(zhǔn)后來(lái)將光伏熔絲開路特性定義為不超過(guò)Istring fuse x 135%的電流持續(xù)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(diào)工作。
圖2：由于故障造成的反饋電流
前沿的電路設(shè)計(jì)
太陽(yáng)能系統(tǒng)涉及相對(duì)較新的技術(shù)，因此光伏系統(tǒng)設(shè)計(jì)師在開發(fā)不同類型的電氣和電子系統(tǒng)方面通常都擁有豐富的經(jīng)驗(yàn)。舉例來(lái)說(shuō)，現(xiàn)在生產(chǎn)小型太陽(yáng)能逆變器的公司以前可能主要是制造電源轉(zhuǎn)換或UPS系統(tǒng)的。在這個(gè)新的位置，這些新的光伏系統(tǒng)設(shè)計(jì)師可能要求設(shè)計(jì)連接電網(wǎng)的1MW直流規(guī)模的太陽(yáng)能電路。與開發(fā)其它直流電源系統(tǒng)甚至大功率交流應(yīng)用時(shí)制定的相同任務(wù)相比，為這些高壓太陽(yáng)能應(yīng)用設(shè)計(jì)電路和指定元件有很大的不同。
有關(guān)低電流中斷和UL與IEC熔絲標(biāo)準(zhǔn)的細(xì)節(jié)
大多數(shù)電路設(shè)計(jì)師將電路保護(hù)器件的標(biāo)簽額定值自然等同于造成該器件開路的負(fù)載電流值。然而，在設(shè)計(jì)用于中斷直流電壓、高交流電壓或提供極端短路電流極限值的電路保護(hù)器件中，情況并不總是這樣。由于中斷高能量故障特別具有挑戰(zhàn)性，電路保護(hù)設(shè)計(jì)師經(jīng)常不得不犧牲低過(guò)載保護(hù)功能。在需要這類電路保護(hù)的大多數(shù)應(yīng)用中，如UPS系統(tǒng)或可變頻率驅(qū)動(dòng)器(VFD)，這是一種可接受的折衷方法，因?yàn)閁PS或VFD系統(tǒng)使用微處理器或固態(tài)型控制電路來(lái)檢測(cè)和中斷這些低過(guò)載電流。在太陽(yáng)能光伏系統(tǒng)中的數(shù)十、數(shù)百或數(shù)千結(jié)點(diǎn)上使用這類低過(guò)載保護(hù)電路在成本上是非常不經(jīng)濟(jì)的，因此設(shè)計(jì)師都使用單獨(dú)的OCPD。
只要OCPD被設(shè)計(jì)和認(rèn)證為全范圍熔絲，這就是一種完全可接受的設(shè)計(jì)。全范圍熔絲被定義為設(shè)計(jì)用于中斷UL標(biāo)示額定值110%與IEC及標(biāo)示最大中斷額定值113%之間電流的任何熔絲。對(duì)UL來(lái)說(shuō)這包括了所有列出的熔絲和一些公認(rèn)的熔絲。在使用公認(rèn)熔絲時(shí)必須十分小心，要確保這種熔絲也是一種全范圍熔絲。對(duì)IEC來(lái)說(shuō)這包括了所有特征名稱以“g”開頭的熔絲(如gPV和gR)。對(duì)直流光伏電路保護(hù)來(lái)說(shuō)，特征名稱以“a”開頭的熔絲是不可接受的，不應(yīng)該使用。
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基本電路保護(hù)需求
為太陽(yáng)能電路選擇電路保護(hù)器件就是設(shè)計(jì)師可能遇到麻煩的一個(gè)地方。這些電路可能用于種類廣泛的系統(tǒng)，范圍可能從住宅級(jí)應(yīng)用到大型工業(yè)設(shè)施甚至連接電網(wǎng)的太陽(yáng)能工場(chǎng)。在所有這些系統(tǒng)中，有許多位置都需要電路保護(hù)器件(圖1)。許多應(yīng)用筆記為用于監(jiān)視和控制的交流電源與數(shù)字通信系統(tǒng)提供了電路保護(hù)器件選擇指南。這些領(lǐng)域已經(jīng)超出了本文討論的范圍。本文主要討論太陽(yáng)能系統(tǒng)的直流側(cè)電路設(shè)計(jì)，電路設(shè)計(jì)師在這里更可能遇到意料之外的問(wèn)題。
圖3：太陽(yáng)能系統(tǒng)中需要使用電路保護(hù)器件的地方
在典型的太陽(yáng)能電子系統(tǒng)中，各個(gè)太陽(yáng)能電池板或模塊通過(guò)串聯(lián)來(lái)提高輸出電壓，并提高效率。許多電池串需要并聯(lián)使用以獲得要求的輸出電流和最終功率。根據(jù)系統(tǒng)規(guī)模和設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)，并聯(lián)電池串可以在電池串匯流箱中實(shí)現(xiàn)連接，而電池串匯流箱則在陣列匯流箱中實(shí)現(xiàn)并聯(lián)，然后再連到逆變器(圖2)。
圖4：典型的太陽(yáng)能電子系統(tǒng)
在大多數(shù)情況下，多個(gè)電池串和陣列是在可操作的位置使用匯流箱連接在一起的。這些公共連接點(diǎn)有助于簡(jiǎn)化系統(tǒng)的裝配和維護(hù)。不管在哪里使用，都有必要對(duì)電路進(jìn)行分析，判斷系統(tǒng)的可能故障電流(即短路電流)，并與元器件的過(guò)流能力進(jìn)行比較，然后再安裝合適的電路保護(hù)器件，防止光伏模塊、斷開器、連線和走線設(shè)備受到損壞。
其它光伏系統(tǒng)電路保護(hù)問(wèn)題
除了太陽(yáng)能電池板與電池串保護(hù)器件的重要協(xié)調(diào)和全范圍保護(hù)要求外，UL和IEC標(biāo)準(zhǔn)還涉及太陽(yáng)能光伏系統(tǒng)的其它獨(dú)特電氣特性，例如不同環(huán)境條件和高層電流循環(huán)等。
太陽(yáng)能系統(tǒng)經(jīng)常工作在惡劣的室外環(huán)境中，其溫度條件可能導(dǎo)致熱沖擊現(xiàn)象發(fā)生。像UL2579和IEC60269-6中強(qiáng)制要求執(zhí)行的溫度循環(huán)測(cè)試有助于確保不會(huì)發(fā)生與熔絲工作有關(guān)的顯著溫度漂移(老化特性或其它性能漂移)。針對(duì)溫度循環(huán)測(cè)試的UL和IEC要求將進(jìn)一步限制太陽(yáng)能系統(tǒng)中可以使用的熔絲。
太陽(yáng)能系統(tǒng)使用高電壓高效地傳送能量，這樣的設(shè)計(jì)要求與120V或240V設(shè)計(jì)有本質(zhì)區(qū)別。在設(shè)計(jì)太陽(yáng)能系統(tǒng)的保護(hù)電路和其它單元時(shí)，需要將魯棒性、長(zhǎng)壽命性能要求謹(jǐn)記在心。雖然對(duì)消費(fèi)電子設(shè)備中的直流電源來(lái)說(shuō)5年壽命是可以接受的，但對(duì)太陽(yáng)能系統(tǒng)來(lái)說(shuō)是完全不可接受的，因?yàn)樘?yáng)能系統(tǒng)的期望壽命通常長(zhǎng)達(dá)25年。記住電子器件要在室外工作，暴露在高低溫環(huán)境中，還可能經(jīng)受附近雷擊造成的ESD浪涌。因此選擇具有魯棒性的元件——從電路板走線到匯流條到機(jī)械單元——非常重要。外殼應(yīng)該既堅(jiān)固又能防水。浪涌抑制器件應(yīng)安裝在合適的電路位置。
工程師經(jīng)常承受著提供高性價(jià)比設(shè)計(jì)的壓力，但在光伏系統(tǒng)開發(fā)中走捷徑極易導(dǎo)致問(wèn)題發(fā)生。舉例來(lái)說(shuō)，在光伏系統(tǒng)匯流箱內(nèi)使用斷路器合并斷開器和OCPD功能似乎很有吸引力，但使用正確認(rèn)證的器件可能導(dǎo)致非最優(yōu)的成本結(jié)構(gòu)，而使用便宜的器件可能導(dǎo)致安全和可靠性問(wèn)題。在大多數(shù)情況下，在需要時(shí)熔絲、熔絲夾具和獨(dú)立斷開器的成本將具有較低的初始成本，維護(hù)成本也較低。為了確保正常工作并避免破壞制造商的信譽(yù)，許多斷路器制造商要求對(duì)他們的產(chǎn)品進(jìn)行年度測(cè)試和重新校準(zhǔn)。斷路器必須退出服務(wù)，進(jìn)行冷卻，然后根據(jù)制造商指令進(jìn)行重新校準(zhǔn)。這種年度維護(hù)要求增加了相當(dāng)大的費(fèi)用、難度和安全危害。
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