光伏電子系統(tǒng)電路保護設(shè)計

全球綠色能源需求推動了太陽能系統(tǒng)市場的強勁增長。雖然大量開發(fā)工作仍然把重點放在更高效的光伏（PV）能量轉(zhuǎn)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(fā)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(yè)規(guī)模的光伏能源系統(tǒng)總體成本削減約75%，使得它們與其它發(fā)電技術(shù)相比具有更強的成本優(yōu)勢。

　　前沿的電路設(shè)計

　　實用的光伏電子系統(tǒng)開發(fā)責(zé)任最終落在了電路設(shè)計師的肩上，包括那些開發(fā)完整太陽能系統(tǒng)的公司的設(shè)計師、向最終用戶提供“交鑰匙”系統(tǒng)的系統(tǒng)集成商的設(shè)計師以及各種太陽能子系統(tǒng)的設(shè)計師。其中許多設(shè)計師負責(zé)開發(fā)的電路主要用于優(yōu)化光伏系統(tǒng)裝置的性能和成本。這些工程師設(shè)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(tǒng)涉及相對較新的技術(shù)，因此光伏系統(tǒng)設(shè)計師在開發(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。舉例來說，現(xiàn)在生產(chǎn)小型太陽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。在這個新的位置，這些新的光伏系統(tǒng)設(shè)計師可能要求設(shè)計連接電網(wǎng)的1MW直流規(guī)模的太陽能電路。與開發(fā)其它直流電源系統(tǒng)甚至大功率交流應(yīng)用時制定的相同任務(wù)相比，為這些高壓太陽能應(yīng)用設(shè)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(shè)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(tǒng)，范圍可能從住宅級應(yīng)用到大型工業(yè)設(shè)施甚至連接電網(wǎng)的太陽能工場。在所有這些系統(tǒng)中，有許多位置都需要電路保護器件（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。本文主要討論太陽能系統(tǒng)的直流側(cè)電路設(shè)計，電路設(shè)計師在這里更可能遇到意料之外的問題。

　　圖1：太陽能系統(tǒng)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(tǒng)中，各個太陽能電池板或模塊通過串聯(lián)來提高輸出電壓，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)計細節(jié)，并聯(lián)電池串可以在電池串匯流箱中實現(xiàn)連接，而電池串匯流箱則在陣列匯流箱中實現(xiàn)并聯(lián)，然后再連到逆變器（圖2）。

　　圖2：典型的太陽能電子系統(tǒng)。

　　在大多數(shù)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(tǒng)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(tǒng)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(shè)備受到損壞。