小型太阳能光伏发电系统中的电路保护思考

太阳能电池利用半导体器件的光伏效应，把太阳辐射能转换成电能，再通过电子技术的转换加以利用或存储。太阳能电池系统的主要部件是太阳能电池、蓄电池、控制器和逆变器，其结构框图如图1所示。太阳能发电系统分为独立太阳能光伏发电系统和并网太阳能光伏发电系统。独立太阳能光伏发电是指太阳能光伏发电不与电网连接的发电方式，典型特征为需要蓄电池来存储夜晚用电的能量。独立太阳能光伏发电在民用范围内主要用于边远的乡村，如家庭系统、村级太阳能光伏电站;在工业范围内主要用于电讯、卫星广播电视、太阳能水泵，在具备风力发电和小水电的地区还可以组成混合发电系统，如风力发电/太阳能发电互补系统等。

　　图1 太阳能发电系统示意图

　　小型太阳能光伏发电系统的防雷保护

　　由于太阳能电池板所处环境为户外，通常设立在空旷处或高处以保证日照。按照IEC61000-4-5电气环境分类，其电源连接线路隶属于4类电气环境，即互连线按户外电缆沿电源电缆敷设并且这些电缆被作为电子和电气线路的电气环境。依据IEC对4类电气系统的防雷保护要求，太阳能发电系统的电力输入部分需要进行防雷保护，这包括交流电力输入电路、充放电回路和逆变电路。保护级别依据线线间2KV，线地间4KV的要求进行设计。保护形式可能需要按不同电路位置进行一级至多级防护。由于太阳能发电系统工作场合环境苛刻，维修周期长，无人值守，使用寿命要求高等各种特殊需求，需要在进行过压保护解决方案的设计中，除了对过压保护器件的浪涌能力进行考虑之外，整个保护方案的工作寿命和抗老化能力都需要进行评估;必要时应采用6KV防护等级。

　　太阳能发电系统中每一块太阳能电池板电缆首先接入太阳能系统控制器的汇流箱。因此在汇流箱及控制器的输入端应使用如图2所示的过压保护设计。其中A、B和C为过压保护器件。对于电压较高的、高可靠要求的系统和设备，应当使用气体放电管(GDT)和压敏电阻(MOV)串联来作为A、B和C位置的保护器件来完成户外电缆的防雷保护。而对于电压低于48VDC的低功率系统，可以直接使用GDT进行过压保护。考虑到过压保护器件的失效模式，需要过流保护器件配合保护。在无人值守或不易维修的场合，应当使用可自恢复的过流保护器件。泰科电子电路保护部门对于此类的防雷保护，针对不同的应用环境和保护要求有着多种保护方案。

　   图2 太阳能电池汇流盒、控制器输入端防雷保护

　　对于太阳能发电系统的直流负载也可以采用上述的方案来进行防雷保护。而对于交流负载的防雷保护(即逆变器的输出端)，则需要使用图3所示的的保护电路设计。泰科电子电路保护部门对此同样有着深厚的经验积累和多样的解决方案。

　　图3 太阳能发电系统交流负载防雷保护电路

　　控制器和逆变器的过压/过流/过热保护

　　由于太阳能电池阵列提供直流电的电压和电流都是不稳定的，太阳能控制器和逆变器要将其转换成终端负载或者电网要求的电压和电流。避免控制器和逆变器遭受ESD以及其它电磁干扰的损害是必要的。除了ESD器件外，泰科电子电路保护部门推出的2Pro过流过压综合保护器件可有效解决太阳能控制器和逆变器通讯端口的电路保护问题。2Pro将聚合物型正温度系数(PPTC)可恢复过温过流保护器件与传统压敏电阻(MOV)贴合在一起使用。2Pro除了可对雷击，浪涌等瞬态过压保护之外，在电压波动或失中线等长时间过压故障中，由于PPTC与MOV贴合在一起，MOV发散出来的热将触发PPTC使其动作进入高阻态，因而可以保护MOV不会因为长时间过压而燃烧损坏。同时2Pro还可针对短路等过流故障进行保护，并在故障排除之后，自动恢复到正常工作状态，免去了更换器件等繁重的维护过程。图4所示为2Pro产品的应用电路和实物图。

　　图4 2Pro产品电路和实物图

由于作为储能部件的可充电电池在充电程度改变时，电压变化范围较大。对于控制器和逆变器的核心控制单元可以使用泰科电子电路保护部门的PolyZen器件，PolyZen器件可以更精确地保护昂贵的控制、驱动芯片，防止其在电压过高地情况下损坏。图5所示的为PolyZen器件的应用电路。

　　图5 PolyZen器件电路

在控制器、逆变器的电路中，大功率的半导体开关器件用于电力转换开关。这些器件即使在规定工作条件下运行，也会出现随机、不可预测并且呈现不同阻值的阻性短路。出现电阻失效时，仅10W的功率就可能产生温度在180℃以上的局部热点，远远高于典型的印刷电路板玻璃跃变温度(135℃)，造成电路板的环氧结构损坏，并产生热故障事件; 最终可能导致器件及印刷电路板过热、冒烟甚至起