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太阳能发电 |
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针对小型太阳能发电系统的电路保护设计考量 |
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作者：TE Connectivity电路保护部 董湧 |
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不断上升的能源成本以及对清洁、可再生能源日益增强的支持，已经使得太阳能发电成为一个极具增长潜力的产业。保护光伏系统免受瞬态过压和过流带来的破坏是提高可靠性、安全性和使用寿命的关键。
对清洁电能不断增长的需求已经导致对如太阳能这样的可再生能源成为了关注的焦点。太阳能发电系统是独立的发电系统，这意味着可以为单个建筑或整个社区供电。典型的太阳能发电系统由太阳能电池板、控制器、能量存储单元和将直流转换成交流的逆变器组成。
雷击保护
为了最大限度地提高太阳能电池面板的光照量，它们通常安装在开放区域或高架位置(如建筑物的屋顶)。这些安装方式使得太阳能发电系统很容易遭受瞬态情况的伤害，如振铃波和雷击，以及从同一管道内的电源/控制线这样的相邻电缆耦合过来的瞬态干扰。为了符合IEC61000-4-5中的电气环境分类要求，从太阳能电池板连出来的电源连接线缆应符合IEC61000-4-5的第4类子集要求。
虽然推荐采用6kV的保护级别，第4类电气系统的保护级别是2kV的线到线电压和4kV的线到地电压。过压保护器件的浪涌处理能力在这些应用中特别重要。一个有效的、协同的保护解决方案有助于将故障停机时间缩到最短，这是一个重要考虑因素，因为太阳能发电系统通常采用无人操作方式，并要求很长的保修和服务周期。
太阳能发电系统中的每个太阳能电池板的电缆首先被连接到太阳能系统控制器的前端盒。图1显示了一种过压保护设计，它在前端盒和控制器的输入端子上采用了金属氧化物变阻器(MOV)过压保护器件。对具有更高电压和可靠性要求的太阳能应用来说，与MOV串联的气体放电管(GDT)可以帮助提供更高级别的保护，特别适用于室外走线。
对于电压低于48VDC的较低电源系统而言，可以单独使用气体放电管来实现过压保护。另外还必须考虑因后续电流引起的过压保护器件的故障模式。一个协同的过流/过压保护机制有助于在过压器件发生故障时提高系统可靠性。在协同解决方案中显示的可自复聚合物正温度系数(PPTC)器件可用于保护系统中由交流或直流供电的负载。
图1：用于太阳能控制器输入端保护的协同解决方案
对太阳能发电系统的直流负载而言，图1中的电路设计也适用于雷击保护。针对交流负载(如逆变器输出)的雷击保护，可以使用图3所示的保护电路设计。
图2：用于太阳能发电系统交流负载的雷击保护电路
控制器和逆变器保护
由于云或其它类型的阴影效应，太阳能电池板产生的电力输出将随接收光照度变化而改变。举个例子，当太阳在地平线上的位置不断变化时，因大树或建筑物而引起的阴影将阻止光线照射到整个太阳能电池板阵列，从而导致控制器和逆变器接收到的电力下降。
控制器和逆变器很容易受许多种瞬态情况的影响。静电放电(ESD)源包括人、户外空气、或产生自太阳能电池板玻璃并放电到控制器和逆变器的瞬变现象。耦合瞬态，如电力快速瞬变(EFT)和振铃波、雷击等，不管是直接还是间接地(非常接近)碰到，也都能产生瞬态情况。控制器和逆变器上的通信端口很容易受这些瞬变的影响。
可以利用2Pro器件来保护控制器和逆变器及它们的通信端口免受瞬态过压的影响，它将一个PPTC过流元件和一个MOV整合成一个热保护器件。这种器件有助于为过流状态提供可复位的电流限制措施，并在过压情况发生时提供电压钳位。
在正常工作条件下，施加到MOV的交流线电压不能超过器件的交流电压最大均方根(VACRMS)额定值，并且假设瞬态能量不超过MOV的最大额定值，持续时间短的瞬变将被钳位到一个适当的电压值。然而，持续异常的过压/限流状态可能导致MOV进入热失控状态。
在通用输入电压范围内，标准无保护MOV的典型额定电压是275VACRMS。在进入失去中性状态时，这些器件即使在上游电路中使用了保险丝或功率电阻，可能产生具有负面效果的过热现象。最坏的情况，如图3所示的那样，失去中性状态给这些器件带来的电压高达400VAC，而不是230VAC。
在这种不限流的情况下，无保护的MOV将首先下降到只有几个欧姆的低阻抗状态，但由于存在大量能量，它很可能发生破裂。如果在交流线返回路径上放置器件来限流，它们也会由于MOV故障而发生过热。
图3描述了这些异常的过电压情况对三种器件或一个多器件组合的影响：
1) 2Pro器件(TE的LVM2P-015R10431器件)
2) 单个MOV(10mm, 275 VRMS)
3) 带功率电阻(10Ω)的MOV/4W
如图3所示，2Pro器件的PPTC单元有助于防止热失控，保持变阻器表面温度小于150℃，并防止器件因瞬态过压引起而达到不安全温度。这种方法可以帮助制造商满足IEC 60950和IEC 60335规范要求，并有助于设备在经过IEC 61000-4-5规定的雷击测试后仍能工作。
图3：不同器件失去中性后的影响
总结
不断上升的能源成本以及对清洁、可再生能源日益增强的支持，已经使得太阳能发电成为一个极具增长潜力的产业。保护光伏系统免受瞬态过压和过流带来的破坏是提高可靠性、安全性和使用寿命的关键。TE电路保护事业部为这些应用提供了种类繁多、极富创意的器件，并与OEM客户紧密合作为新兴技术开发方便、高性价比的解决方案。(end)
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(2/8/2014) |
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