光伏電子系統電路保護設計

　　斷路器經常是太陽能系統的交流側電路首選的保護方案，而在直流側使用相同的斷路器也可能非常有吸引力。雖然斷路器方案一般來說非常方便，但并不總是最佳方法。設計師必須仔細判斷太陽能系統直流側使用的電路保護器件是否是根據相關光伏標準設計的，并已經得到了美國保險商實驗室（Underwriters Laboratories）（UL）或VDE等外部機構的標準測試和認證，從而確信器件能夠在發生故障事件時正常動作。對電路保護器件來說中斷直流電壓比中斷等效RMS交流電壓困難得多。這里的根本原因是：交流電壓在每個電壓周期上有兩次到達零電壓點，這是影響電路保護器件安全中斷電壓并隔離故障電路的關鍵因素。

　　鑒于太陽能光伏電池板產生的是直流電能，因此對光伏電池板接收到的給定光能來說電流和電壓是穩定的。由于存在高電壓直流電流，典型的電路保護器件很難在太陽能系統中可能發生的各種工作條件中可靠地中斷電路。在最壞情況下，不是為直流光伏系統設計和認證的電路保護器件可能突然發生故障，并造成設備損壞、起火甚至可以傷害人身安全。然而最常見的問題是，在典型的光伏系統過流條件下器件的工作速度不夠快。

　　例如在某個電池串中，短路電流（ISC）可能不比正常電流大許多。典型的太陽能電池串在正常工作時的輸出電流可能是4.2A，它的前向ISC約為4.5A。當與小型450VDC 10kW系統中的其它電池串組合在一起時，要求正常尺寸的10A過流保護器件（OCPD）在電池串故障事件發生時中斷的短路電流大約是20A。這些高直流電壓、低過載條件在設計高成本效益的OCPD時是一個艱巨的挑戰，因為這些OCPD需要在適當的電壓、電流和濕度范圍內中斷電路。

　　基于上述這些理由，最常見的第一道防線是熔絲形式的OCPD（圖3）。天生是無源器件的熔絲在成本上要低于具有相同性能特征的斷路器。這些光伏系統熔絲和它們的測試在UL標準2579（用于光伏系統的低壓熔絲）和IEC標準60269-6中有描述。這些熔絲標準是與光伏電池板標準UL 1703和IEC60129以及逆變器標準UL1741和IEC61727配套制定的。

　　圖3：帶熔絲和其它走線器件的典型電池串匯流箱框圖。

　　根據具體應用和系統設計，直流電池串電壓一般在300V至1000V范圍內，但在連接電網的系統中也有可能高達1500VDC。因此必須為匯流箱選擇合適的熔絲、斷開器、走線器件等。另外，UL和IEC標準對這些應用中使用的OCPD有特殊的性能要求。

　　當OCPD是熔絲時，它必須能夠保護在短路電流額定值工作的光伏源電路，并且在電路發生故障時也能保護光伏源電路。NEC文章將故障電流定義為光伏電流ISC的125%加上與正常電流方向相反的任何反向或反饋電流。

　　一般來說，故障期間的反向電流源可能來自受影響陣列中的其它電池串的后饋電流（IBACKFEED），見圖4。可以近似用Isc x （n-1）公式計算出來，其中n等于受影響陣列中的電池串數量。UL1703和IEC60129定義了光伏電池測試規范，確保在等于或小于Istring fuse x 135%的后饋電流持續2個小時的情況下電池板不會發生危險的過熱狀況。UL光伏熔絲標準后來將光伏熔絲開路特性定義為不超過Istring fuse x 135%的電流持續1個小時。這樣就能在使用帶UL熔絲的UL或IEC電池板時保證正確協調工作。

　　圖4：由于故障造成的反饋電流。