小型太阳能光伏发电系统中的电路保护设计

　　随着能源日益紧缺和环保压力的不断增大，人类更多的依靠可再生能源。开发和利用太阳能已经成为了最具前途和回报，最就手可热的技术。其中太阳能发电是对太阳能的直接转化和利用。
   　　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器件的应用电路和实物图。
   
   　　
   　　图5 PolyZen器件电路和实物图
   
   　　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、冒烟甚至起火。
   
   　　
   
   　　泰科电子电路保护部门新推出的RTP器件具有既适合最高温度达 260℃的无铅回流焊工艺，又能在激活后在200℃断开进行温度保护。200℃的断开温度高于大部分正常工作的电子器件的正常工作温度范围，有助于防止误动作，提高系统可靠性。 同时该温度低于常见无铅焊料熔点。所以，当旁边的器件在规定温度范围内工作时，RTP器件不会断开电路，但在器件脱焊和形成额外短路的潜在风险之前会断开电路。这种适合回流焊的表面贴装温度保险器件相对于需要手工焊接的插脚温度保险丝，在装配焊接后具有良好的可靠性和一致性。
   
   　　储能电池组的保护
   
   　　在太阳能光伏发电系统中，储能电池的性能和安全也是非常重要的。不管是铅酸电池还是锂离子电池构成的储能电池组，在接线安装过程中、在使用中都存在电缆短路、电池正负极误接短路、或电池组温度过高等潜在故障。这些故障轻则损坏设备电路，重则造成财产、人身安全事故。在电池组中合理使用基于PPTC技术的过流保护和温度检测可有效保护电池组、减少此类故障造成的性能下降和安全隐患。
   　　任何类型的储能电池组在运输、安装及使用时都有可能遭遇外部短路。为防止电池组短路引起的严重后果，过流保护是必须的。除了PolySwitch自恢复保险丝以外，泰科电子电路保护部门还研发了MHP混合器件。这种MHP器件采用了一种新的混合式技术，它可提供一种可恢复得、紧凑、稳健的电路保护器件。它能在额定电压超过30VDC的情况下提供30A以上的工作电流。这种金属混合PPTC器件（MHP）由一个双金属片保护器和一个聚合物正温度系数（PPTC）器件并联而成。这种组合既能提供可复位的过电流保护功能，又可利用PPTC器件的低电阻特性来防止双金属片在大电流条件下产生电弧，同时还能加热双金属片，使其保持在打开 锁定状态。这种器件避免了电路断开时产生的拉弧，故而延长了触电的寿命。由于该器件是密封且无弧，特别适合防暴场合的应用。
   
   　　
   　　图6 MHP30-36实物图和机械尺寸图
   
   　　图6所示的MHP30-36器件是泰科电子规划的MHP产品系列中的首批器件，最大额定值为36VDC/100A，在100A （@25°C）条件下的跳闸时间小于5秒。这些器件的工作电流为30A，初始电阻不到2mΩ，低于常见双金属保护器的初始电阻（通常为3至4mΩ）。该系列的产品能为太阳能发电系统中的储能系统提供更可靠和安全的电路保护。
   　　由于充、放电及能量密度等方面的优势，越来越多的锂离子电池组用于太阳能光伏发电系统中。锂离子电池组的安全保护的要求更加严格。除了传统过流、过温（过冲引起的）保护要求之外，高串锂离子电池的均衡以及电压检测电路的保护问题均随之而来。泰科电子电路保护部门成功为高串锂离子电池组客户提供了涉及过温检测保护，以及均衡及电压检测电路短路保护的解决方案，并在客户应用中得到了很好的验证。图7所示即为PPTC在高串锂离子电池组中的应用，主要用于检测电池组内部温度实现过温保护和防止电池在均衡或者电压检测过程中的短路状况。
   
   　　
   　　图7 PPTC在高串锂离子中的应用：温度检测保护以及均衡/电压检测短路保护
   
   　　太阳能光伏发电系统的负载可以是多种多样的子系统或设备，譬如LED照明灯具，野外无人值守检测、记录或通讯设施等。依据子系统的特征和使用环境不同，子系统及设备也需要不同等级的电路保护。在设计这些保护时，应当从系统的角度出发，协同耦合各设备、各子系统保护，以达到最好的保护系统的效果。在这方面，泰科电子瑞侃电路保护部拥有丰富的经验，竭诚为业内客户提供完整的解决方案。