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用于小型太阳能系统的协同电路保护
作者:TE电路保护部 Neal Schultz
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太阳能发电展厅
太阳能发电机, 光伏发电设备, 风光互补发电系统, 多晶硅生产设备, ...
能源成本的上涨和人们对清洁的可再生能源的支持日益增加,已经促使太阳能成为一个成长性行业。太阳能电池板通过将太阳光转换为电能,可以直接发电,无运动部件,能达到零排放,而且所需的维护极少甚至完全不需要。

太阳能系统可以独立(离网)或者可连接至公用电网。在离网模式中,电池组用于储存电力,用于夜间或用电高峰期间使用。独立系统还可供电信服务提供商或卫星电视广播公司使用,并可在混合发电站中与风能或微型水力发电资源相结合。

图1中的太阳能模块原理图描述了典型的太阳能电池板、控制器、储能和用于DC/AC转换的逆变器构成的系统,并显示了在需要时太阳能发电机如何连接至电网。

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图1:典型的太阳能系统原理图

防雷保护

为使太阳能电池板的曝光最大化,它们通常会被安装在旷野或位置较高的地方(例如建筑物顶部)。安装位置使得太阳能发电系统易受瞬态冲击,比如环形波和闪电,以及来自邻近电缆(如在同一导线管中的电源/控制线路)的耦合瞬态事件。按照IEC61000-4-5电气环境类别标准,太阳能电池板外的电源连接布线要求符合IEC61000-4-5 Class 4子类标准。

Class 4电气系统的防护等级为2kV线对线(line-to-line)和4kV线对地(line-to-ground),不过一般推荐采用6kV防护等级。在这些应用中,过压保护器件的浪涌处理能力尤为重要。一个有效和协同保护解决方案有助于最大限度减少故障停机时间,由于太阳能系统通常为无人值守操作,具有较长的维护和使用寿命要求,因此这是一个重要的考虑因素。

太阳能系统中每个太阳能电池板的电缆首先连接到太阳能系统控制器的汇流箱。图2阐述了过压保护设计,将金属氧化物压敏电阻(metal oxide varistor,MOV)过压保护器件用于汇流箱和控制器输入端。对于具有较高电压和可靠性要求的太阳能应用,气体放电管(gas discharge tube,GDT)与MOV串联连接,可帮助提供更高水平的防护——尤其是对于房子外的电缆布线来说。

对于电压低于48VDC的低压电力系统,GDT可以单独用于过压保护。此外,还必须考虑由后续电流造成的过压器件失效模式。在过压器件失效的情况下,一个协同的过流/过压保护方案可以帮助提高可靠性。如图所示,协同解决方案中的可重置聚合物正温度系数(polymeric positive temperature coefficient,PPTC)器件可用于系统中的AC或DC供电负载。

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图2:用于太阳能控制器输入保护的协同解决方案

对于太阳能系统的DC负载,图2中的电路设计还可以用于雷电保护。至于AC负载的防雷保护(即逆变器输出),则可以采用图3所示的保护电路设计。

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图3:用于太阳能系统AC负载的防闪电保护电路

控制器和逆变器保护

由于云层或其它的遮蔽效果,太阳能电池板产生的功率输出会依据所接受的光照强度而改变。例子之一是当太阳穿过地平线时,来自树木或建筑物的阴影会阻挡整个电池阵列的光照,引起控制器和逆变器接受到的功率水平下降。

控制器和逆变器易受许多类型的瞬态冲击。静电放电(Electrostatic discharge,ESD)的来源包括人体、空气或太阳能电池板玻璃产生并且释放到控制器和逆变器中的瞬态冲击。耦合瞬态,如电气快速瞬变(electrical fast transient,EFT)和环形波、以及雷电,无论直接或间接(极为贴近)触及,都会产生瞬态现象。控制器和逆变器上的通讯端口易受这些瞬态现象的影响。

采用2Pro器件可以实现控制器和逆变器及其通讯端口的保护,以防止过电压瞬态损坏。该器件把PPTC过电流组件和MOV结合集成在一个热保护器件中,帮助提供针对过电流状况的可重置限流,以及过电压事件中的电压箝位。

在正常工作条件下,AC母线电压预计不会超过MOV器件的最大AC均方根电压(VACRMS)额定值,而且如果瞬态能量不超过MOV的最大额定值,则短期瞬态事件可被箝制在合适的电压电平上。然而,持续的异常过压/极限电流状况可能会导致MOV进入热失控状态。

对于通用输入电压范围,标准无保护 MOV 通常规定为 275VACRMS。在失中线状态的损耗中,即便在上游已使用了保险丝或功率电阻,标准无保护 MOV也可能会过热,而产生负面后果。在最坏情况中,如图1中所示,由于失中线故障,故施加到MOV的是400VAC电压而不是230VAC电压。

在此无限制电流状况下,无保护的MOV的阻抗将首先下降至数欧姆,但由于产生了大量的能量,所以它可能会破裂。假如有器件放置在AC线路的回路上来限制电流,因为MOV已失效,故这些器件还可能会过热。

图4阐述了在这三种器件或器件组合上,这些异常过电压状况的影响:

1. 2Pro器件(TE 的 LVM2P-015R10431器件)
2. 单个MOV(10mm、275 VRMS – TE 的 ROV10-431K器件)
3. 带有功率电阻(10 欧姆)的MOV/4W

如图4所示,2Pro器件的PPTC组件帮助防止热失控,使压敏电阻的表面温度保持在低于150℃,防止器件达到由过压瞬态引起的不安全温度。此方法帮助制造商符合IEC 60950和IEC 60335标准,并让设备在按照IEC 61000-4-5规定进行防雷电测试后,仍然保持正常运行。

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图4:各种器件的失中线影响

电池组保护

在太阳能系统中,电池组的安全性是非常重要的设计考虑因素。集成在系统中或采用外部电线连接来安装的铅酸蓄电池和锂离子电池,都可能会受到潜在失效,如电缆短路、电池正极和负极的错接或温度过高问题的影响。这些失效会对设备电路产生轻微损坏或导致严重的财产损失或安全问题。

在运输和安装过程中,电池组还可能会遭受外部短路事件,因此过电流保护是提升安全性和系统性能所必须的。业界开发的金属混合 PPTC(Metal Hybrid PPTC,MHP)器件可用于这些类型的电池组应用,当规定电压超过30VDC时,提供超过30A的工作电流。

如图5所示,MHP器件将双金属保护器与PPTC器件并联连接。该器件在高倍率放电电池组中帮助提供可重置过电流保护,同时利用PPTC器件的低电阻来帮助防止较大电流下双金属保护器中的电弧放电,使得双金属受热来保持断开并处于锁定位置。

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图5:MHP器件的启动步骤

总结

保护光伏系统,防止过电压和过电流瞬态造成的损坏,对于改进可靠性、安全性和延长寿命来说是至关重要的。合适的系统接地和可靠的电路保护策略可以最大限度地减小此类损坏的影响。

针对这些应用,TE电路保护部提供了范围广泛的创新器件,并且与OEM客户紧密合作,针对新兴的技术应用开发简单的低成本解决方案。
文章内容仅供参考 (投稿) (2/8/2014)
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