光伏電子系統(tǒng)電路保護(hù)設(shè)計(jì)

　　斷路器經(jīng)常是太陽能系統(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說非常方便，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)正常動作。對電路保護(hù)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(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說電流和電壓是穩(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。然而最常見的問題是，在典型的光伏系統(tǒng)過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?、電流和濕度范圍?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3：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?？梢越朴肐sc x （n-1）公式計(jì)算出來，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發(fā)生危險(xiǎn)的過熱狀況。UL光伏熔絲標(biāo)準(zhǔn)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(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4：由于故障造成的反饋電流。