全球綠色能源需求推動了太陽能系統市場的強勁增長。雖然大量開發工作仍然把重點放在更高效的光伏(PV)能量轉換方面，但對更加可靠、高效和高性價比的太陽能傳送的需求也非常迫切。最近美國能源部(DOE)發布的“SunShot”行動計劃更是突出了這方面的需求，這項計劃旨在將公用事業規模的光伏能源系統總體成本削減約75%，使得它們與其它發電技術相比具有更強的成本優勢。
前沿的電路設計
實用的光伏電子系統開發責任最終落在了電路設計師的肩上，包括那些開發完整太陽能系統的公司的設計師、向最終用戶提供“交鑰匙”系統的系統集成商的設計師以及各種太陽能子系統的設計師。其中許多設計師負責開發的電路主要用于優化光伏系統裝置的性能和成本。這些工程師設計的電路一般是太陽能陣列、直流匯流箱或逆變器。
太陽能系統涉及相對較新的技術，因此光伏系統設計師在開發不同類型的電氣和電子系統方面通常都擁有豐富的經驗。舉例來說，現在生產小型太陽能逆變器的公司以前可能主要是制造電源轉換或UPS系統的。在這個新的位置，這些新的光伏系統設計師可能要求設計連接電網的1MW直流規模的太陽能電路。與開發其它直流電源系統甚至大功率交流應用時制定的相同任務相比，為這些高壓太陽能應用設計電路和指定元件有很大的不同。
基本電路保護需求
為太陽能電路選擇電路保護器件就是設計師可能遇到麻煩的一個地方。這些電路可能用于種類廣泛的系統，范圍可能從住宅級應用到大型工業設施甚至連接電網的太陽能工場。在所有這些系統中，有許多位置都需要電路保護器件(圖1)。許多應用筆記為用于監視和控制的交流電源與數字通信系統提供了電路保護器件選擇指南。這些領域已經超出了本文討論的范圍。本文主要討論太陽能系統的直流側電路設計，電路設計師在這里更可能遇到意料之外的問題。
圖1：太陽能系統中需要使用電路保護器件的地方。
在典型的太陽能電子系統中，各個太陽能電池板或模塊通過串聯來提高輸出電壓，并提高效率。許多電池串需要并聯使用以獲得要求的輸出電流和最終功率。根據系統規模和設計細節，并聯電池串可以在電池串匯流箱中實現連接，而電池串匯流箱則在陣列匯流箱中實現并聯，然后再連到逆變器(圖2)。
圖2：典型的太陽能電子系統。
在大多數情況下，多個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。這些公共連接點有助于簡化系統的裝配和維護。不管在哪里使用，都有必要對電路進行分析，判斷系統的可能故障電流(即短路電流)，并與元器件的過流能力進行比較，然后再安裝合適的電路保護器件，防止光伏模塊、斷開器、連線和走線設備受到損壞。
直流與交流電路保護
斷路器經常是太陽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說非常方便，但并不總是最佳方法。設計師必須仔細判斷太陽能系統直流側使用的電路保護器件是否是根據相關光伏標準設計的，并已經得到了美國保險商實驗室(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生故障事件時正常動作。對電路保護器件來說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：交流電壓在每個電壓周期上有兩次到達零電壓點，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鍵因素。
鑒于太陽能光伏電池板產生的是直流電能，因此對光伏電池板接收到的給定光能來說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能系統中可能發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。然而最常見的問題是，在典型的光伏系統過流條件下器件的工作速度不夠快。
例如在某個電池串中，短路電流(ISC)可能不比正常電流大許多。典型的太陽能電池串在正常工作時的輸出電流可能是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，要求正常尺寸的10A過流保護器件(OCPD)在電池串故障事件發生時中斷的短路電流大約是20A。這些高直流電壓、低過載條件在設計高成本效益的OCPD時是一個艱巨的挑戰，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，最常見的第一道防線是熔絲形式的OCPD(圖3)。天生是無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、斷開器、走線器件等。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，它必須能夠保護在短路電流額定值工作的光伏源電路，并且在電路發生故障時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。
一般來說，故障期間的反向電流源可能來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)公式計算出來，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個小時的情況下電池板不會發生危險的過熱狀況。UL光伏熔絲標準后來將光伏熔絲開路特性定義為不超過Istring fuse x 135%的電流持續1個小時。這樣就能在使用帶UL熔絲的UL或IEC電池板時保證正確協調工作。
圖4：由于故障造成的反饋電流。
了解有關低電流中斷和UL與IEC熔絲標準的更多細節
大多數電路設計師將電路保護器件的標簽額定值自然等同于造成該器件開路的負載電流值。然而，在設計用于中斷直流電壓、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性，電路保護設計師經常不得不犧牲低過載保護功能。在需要這類電路保護的大多數應用中，如UPS系統或可變頻率驅動器(VFD)，這是一種可接受的折衷方法，因為UPS或VFD系統使用微處理器或固態型控制電路來檢測和中斷這些低過載電流。在太陽能光伏系統中的數十、數百或數千結點上使用這類低過載保護電路在成本上是非常不經濟的，因此設計師都使用單獨的OCPD。
只要OCPD被設計和認證為全范圍熔絲，這就是一種完全可接受的設計。全范圍熔絲被定義為設計用于中斷UL標示額定值110%與IEC及標示最大中斷額定值113%之間電流的任何熔絲。對UL來說這包括了所有列出的熔絲和一些公認的熔絲。在使用公認熔絲時必須十分小心，要確保這種熔絲也是一種全范圍熔絲。對IEC來說這包括了所有特征名稱以“g”開頭的熔絲(如gPV和gR)。對直流光伏電路保護來說，特征名稱以“a”開頭的熔絲是不可接受的，不應該使用。
其它光伏系統電路保護問題
除了太陽能電池板與電池串保護器件的重要協調和全范圍保護要求外，UL和IEC標準還涉及太陽能光伏系統的其它獨特電氣特性，例如不同環境條件和高層電流循環等。
太陽能系統經常工作在惡劣的室外環境中，其溫度條件可能導致熱沖擊現象發生。像UL2579和IEC60269-6中強制要求執行的溫度循環測試有助于確保不會發生與熔絲工作有關的顯著溫度漂移(老化特性或其它性能漂移)。針對溫度循環測試的UL和IEC要求將進一步限制太陽能系統中可以使用的熔絲。
太陽能系統使用高電壓高效地傳送能量，這樣的設計要求與120V或240V設計有本質區別。在設計太陽能系統的保護電路和其它單元時，需要將魯棒性、長壽命性能要求謹記在心。雖然對消費電子設備中的直流電源來說5年壽命是可以接受的，但對太陽能系統來說是完全不可接受的，因為太陽能系統的期望壽命通常長達25年。記住電子器件要在室外工作，暴露在高低溫環境中，還可能經受附近雷擊造成的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械單元——非常重要。外殼應該既堅固又能防水。浪涌抑制器件應安裝在合適的電路位置。
工程師經常承受著提供高性價比設計的壓力，但在光伏系統開發中走捷徑極易導致問題發生。舉例來說，在光伏系統匯流箱內使用斷路器合并斷開器和OCPD功能似乎很有吸引力，但使用正確認證的器件可能導致非最優的成本結構，而使用便宜的器件可能導致安全和可靠性問題。在大多數情況下，在需要時熔絲、熔絲夾具和獨立斷開器的成本將具有較低的初始成本，維護成本也較低。為了確保正常工作并避免破壞制造商的信譽，許多斷路器制造商要求對他們的產品進 行年度測試和重新校準。斷路器必須退出服務，進行冷卻，然后根據制造商指令進行重新校準。這種年度維護要求增加了相當大的費用、難度和安全危害。
本文重點討論了光伏系統直流側所需的保護電路。然而，如圖1所示，許多其它位置也要求其它電路保護器件。系統設計師同樣需要保護系統中的其它元件不受瞬態過壓、ESD和交流過流的破壞。幸運的是，數十年來像MOV、TVS二極管和交流熔絲等防止這些威脅的器件的應用已經成為正確設計并受到保護的其它系統的典型應用。這些應用在光伏能量系統中一般沒什么區別，但安全細心的設計工作仍有很高價值。 |
