光伏電子系統電路保護設計

全球綠色能源需求推動了太陽能系統市場的強勁增長。雖然大量開發工作仍然把重點放在更高效的光伏（PV）能量轉換方面，但對更加可靠、高效和高性價比的太陽能傳送的需求也非常迫切。最近美國能源部（DOE）發布的“SunShot”行動計劃更是突出了這方面的需求，這項計劃旨在將公用事業規模的光伏能源系統總體成本削減約75%，使得它們與其它發電技術相比具有更強的成本優勢。

　　前沿的電路設計

　　實用的光伏電子系統開發責任最終落在了電路設計師的肩上，包括那些開發完整太陽能系統的公司的設計師、向最終用戶提供“交鑰匙”系統的系統集成商的設計師以及各種太陽能子系統的設計師。其中許多設計師負責開發的電路主要用于優化光伏系統裝置的性能和成本。這些工程師設計的電路一般是太陽能陣列、直流匯流箱或逆變器。

　　太陽能系統涉及相對較新的技術，因此光伏系統設計師在開發不同類型的電氣和電子系統方面通常都擁有豐富的經驗。舉例來說，現在生產小型太陽能逆變器的公司以前可能主要是制造電源轉換或UPS系統的。在這個新的位置，這些新的光伏系統設計師可能要求設計連接電網的1MW直流規模的太陽能電路。與開發其它直流電源系統甚至大功率交流應用時制定的相同任務相比，為這些高壓太陽能應用設計電路和指定元件有很大的不同。

　　基本電路保護需求

　　為太陽能電路選擇電路保護器件就是設計師可能遇到麻煩的一個地方。這些電路可能用于種類廣泛的系統，范圍可能從住宅級應用到大型工業設施甚至連接電網的太陽能工場。在所有這些系統中，有許多位置都需要電路保護器件（圖1）。許多應用筆記為用于監視和控制的交流電源與數字通信系統提供了電路保護器件選擇指南。這些領域已經超出了本文討論的范圍。本文主要討論太陽能系統的直流側電路設計，電路設計師在這里更可能遇到意料之外的問題。

　　圖1：太陽能系統中需要使用電路保護器件的地方。

　　在典型的太陽能電子系統中，各個太陽能電池板或模塊通過串聯來提高輸出電壓，并提高效率。許多電池串需要并聯使用以獲得要求的輸出電流和最終功率。根據系統規模和設計細節，并聯電池串可以在電池串匯流箱中實現連接，而電池串匯流箱則在陣列匯流箱中實現并聯，然后再連到逆變器（圖2）。

　　圖2：典型的太陽能電子系統。

　　在大多數情況下，多個電池串和陣列是在可操作的位置使用匯流箱連接在一起的。這些公共連接點有助于簡化系統的裝配和維護。不管在哪里使用，都有必要對電路進行分析，判斷系統的可能故障電流（即短路電流），并與元器件的過流能力進行比較，然后再安裝合適的電路保護器件，防止光伏模塊、斷開器、連線和走線設備受到損壞。