光伏电子系统电路保护设计

　　全球绿色能源需求推动了太阳能系统市场的强劲增长。虽然大量开发工作仍然把重点放在更高效的光伏（PV）能量转换方面，但对更加可靠、高效和高性价比的太阳能传送的需求也非常迫切。最近美国能源部（DOE）发布的“SunShot”行动计划更是突出了这方面的需求，这项计划旨在将公用事业规模的光伏能源系统总体成本削减约75%，使得它们与其它发电技术相比具有更强的成本优势。

　　前沿的电路设计

　　实用的光伏电子系统开发责任最终落在了电路设计师的肩上，包括那些开发完整太阳能系统的公司的设计师、向最终用户提供“交钥匙”系统的系统集成商的设计师以及各种太阳能子系统的设计师。其中许多设计师负责开发的电路主要用于优化光伏系统装置的性能和成本。这些工程师设计的电路一般是太阳能阵列、直流汇流箱或逆变器。

　　太阳能系统涉及相对较新的技术，因此光伏系统设计师在开发不同类型的电气和电子系统方面通常都拥有丰富的经验。举例来说，现在生产小型太阳能逆变器的公司以前可能主要是制造电源转换或UPS系统的。在这个新的位置，这些新的光伏系统设计师可能要求设计连接电网的1MW直流规模的太阳能电路。与开发其它直流电源系统甚至大功率交流应用时制定的相同任务相比，为这些高压太阳能应用设计电路和指定元件有很大的不同。

　　基本电路保护需求

　　为太阳能电路选择电路保护器件就是设计师可能遇到麻烦的一个地方。这些电路可能用于种类广泛的系统，范围可能从住宅级应用到大型工业设施甚至连接电网的太阳能工场。在所有这些系统中，有许多位置都需要电路保护器件（图1）。许多应用笔记为用于监视和控制的交流电源与数字通信系统提供了电路保护器件选择指南。这些领域已经超出了本文讨论的范围。本文主要讨论太阳能系统的直流侧电路设计，电路设计师在这里更可能遇到意料之外的问题。

　　图1：太阳能系统中需要使用电路保护器件的地方。

　　在典型的太阳能电子系统中，各个太阳能电池板或模块通过串联来提高输出电压，并提高效率。许多电池串需要并联使用以获得要求的输出电流和最终功率。根据系统规模和设计细节，并联电池串可以在电池串汇流箱中实现连接，而电池串汇流箱则在阵列汇流箱中实现并联，然后再连到逆变器（图2）。

　　图2：典型的太阳能电子系统。

　　在大多数情况下，多个电池串和阵列是在可操作的位置使用汇流箱连接在一起的。这些公共连接点有助于简化系统的装配和维护。不管在哪里使用，都有必要对电路进行分析，判断系统的可能故障电流（即短路电流），并与元器件的过流能力进行比较，然后再安装合适的电路保护器件，防止光伏模块、断开器、连线和走线设备受到损坏。