適用于1500 VDC光伏系統(tǒng)的電源解決方案

提高能效對于確保光伏發(fā)電在經(jīng)濟上可行至關(guān)重要。采用更大電池串以提高直流工作電壓，可降低 I2R 損耗并節(jié)省部署成本，但是對為監(jiān)視和控制電路供電的輔助電源的設(shè)計提出了挑戰(zhàn)。

發(fā)展太陽能市場

雖然政府對光伏發(fā)電的補貼時有起伏，但裝機容量卻在不斷增加。以 2014 年的 178 GW 為基數(shù)，預(yù)計 2019 年全球裝機容量將達(dá)到 540 GW。歐洲的份額最大，預(yù)計 2019 年將達(dá)到 158 GW，但其他國家和地區(qū)的增長速度更快，例如中國和美國同期裝機容量預(yù)計將分別增長四倍和三倍。成功的太陽能產(chǎn)業(yè)從經(jīng)濟角度看也很有利，2014 年該產(chǎn)業(yè)直接就業(yè)人數(shù)約為 5500 萬人。

光伏發(fā)電要實現(xiàn)這些預(yù)測并進(jìn)一步增長，每瓦成本必須繼續(xù)降低。一個障礙是太陽能板本身的效率一般較低。如今，效率最高的單晶電池的工作效率約為 25％，這已經(jīng)接近該技術(shù)的理論最大值。

提高工作電壓以節(jié)省能源

顯然，從太陽光線中獲取的每一焦耳都很珍貴。從太陽能模塊的直流輸出到輸送至電網(wǎng)的交流饋電，為了最大限度減少系統(tǒng)各部分的損耗，節(jié)能管理十分重要（圖 1）。串聯(lián)多個模塊以產(chǎn)生高壓直流輸出，有助于降低電流，從而降低光伏陣列和逆變器之間的 I2R 損耗。并網(wǎng)系統(tǒng)以 1000 VDC 運行是很常見的。一個典型系統(tǒng)包括 22 個串聯(lián)模塊以形成一個電池串，每個模塊含有 90 節(jié)電池以產(chǎn)生約 45 V 的輸出電壓。這樣的電池串可以產(chǎn)生 5.5 kW 的峰值功率，將 2727 個電池串組合起來就能獲得 15 MW 的裝機容量。

圖 1：多兆瓦并網(wǎng)光伏發(fā)電機的關(guān)鍵功能。（圖片來源：CUI, Inc.）

通過增加每串的模塊數(shù)量以將輸出電壓提高到 1500 VDC，進(jìn)入每個組合器的最大電流可進(jìn)一步降低到 1000 VDC 對應(yīng)值的 66.6％。阻性電纜損耗甚至更低，僅為之前值的 44.4％。這就為系統(tǒng)設(shè)計人員提供了更大的靈活性，可以通過減小電纜尺寸和指定更小的連接器來提高能效并降低安裝成本。此外，實現(xiàn)給定輸出功率所需的電池串也更少，從而減少了所需匯流箱的數(shù)量。假設(shè)每個匯流箱處理 20 個電池串，15 MW 裝機容量將只需要 94 個匯流箱，而在 1000 VDC 時需要 137 個匯流箱，相比之下減少了 31％。GTM 研究已計算出，設(shè)計一座以 1500 VDC 運行的 10 MW 電廠，與 1000 VDC 系統(tǒng)相比，部署成本可降低約 40 萬美元（圖 2）。

圖 2：10 MW 電廠從 1000 V 改為 1500 V 可節(jié)省部署成本。（圖像來源： CUI, Inc.）

1500 V 的設(shè)計挑戰(zhàn)

這些潛在的成本節(jié)約和效率提升當(dāng)然有吸引力，但整個系統(tǒng)的絕緣必須升級，匯流箱和逆變器也必須能夠在更高電壓下工作。值得慶幸的是，市場上已經(jīng)有合適的逆變器，其中一些產(chǎn)品是基于最新的寬帶隙半導(dǎo)體技術(shù)，與硅基替代產(chǎn)品相比效率更高。

然而，1500 VDC 系統(tǒng)設(shè)計的另一個重要方面是，這些光伏組合器和逆變器需要從 1500 VDC 線路獲取自己的低壓電源，從而為監(jiān)視和控制電路供電。市場上很難找到能滿足需求的小型 DC-DC 轉(zhuǎn)換器：不僅要提供足夠?qū)挼妮斎腚妷悍秶员阍?1500 VDC 下運行，而且要能夠處理大電壓降——電池串輸出電壓最低達(dá)到 200 VDC。其要求輸入范圍至少為 7.5：1，而這并非常見規(guī)格。

圖 3 顯示了太陽能組合器單元的電源架構(gòu)，其中包含一個提供 24 VDC 輸出的寬輸入 DC-DC 轉(zhuǎn)換器，用于通過額外的隔離和非隔離轉(zhuǎn)換器為通信和處理/檢測模塊供電。該高壓 DC-DC 主轉(zhuǎn)換器需要全面增強的安全隔離，通常指定值為 4000 VAC。

圖 3：太陽能匯流箱的內(nèi)部電源架構(gòu)。（圖片來源：CUI, Inc.）

安全考慮因素

安全方面適用的標(biāo)準(zhǔn)是 IEC 62109-1“用于光伏發(fā)電系統(tǒng)的電源轉(zhuǎn)換器的安全性”，其與最高 1500 VDC 的系統(tǒng)相關(guān)。標(biāo)準(zhǔn)的第 1 部分規(guī)定了一般要求，第 2 部分規(guī)定了逆變器的具體要求。IEC 62109-1 的范圍涵蓋了設(shè)計和建造方法，以確保能防范電擊、機械危害、高溫、火災(zāi)、化學(xué)危害和其他潛在危險。

該標(biāo)準(zhǔn)還包括對 IEC 60664“低壓系統(tǒng)內(nèi)設(shè)備的絕緣配合”的引用。與 DC-DC 轉(zhuǎn)換器特別相關(guān)的是要求進(jìn)行測試以驗證不存在局部放電；當(dāng)絕緣體中的微孔在高電壓下?lián)舸r可能發(fā)生局部放電，導(dǎo)致器件性能降級，甚至最終完全失效。測試與 1500 VDC 工作電壓密切相關(guān)，要求 DC-DC 轉(zhuǎn)換器隔離柵采用特殊結(jié)構(gòu)。

IEC 62109-1 的絕緣要求取決于系統(tǒng)電壓、裝置過壓 (OV) 類別和環(huán)境污染程度 (PD)。OV 類別 II 用于具有 1500 VDC 母線的系統(tǒng)中的光伏面板電路，最小沖擊耐受電壓為 6000 V。對于并網(wǎng)逆變器級，應(yīng)使用 OV III，沖擊耐受電壓為 8000 V。

作為具有一定環(huán)境保護(hù)要求的工業(yè)級應(yīng)用，設(shè)備受 PD 2 的約束，僅允許非導(dǎo)電性污染和偶爾凝結(jié)。IEC 62109-1 包含許多其他規(guī)范，必須加以考慮。

此外，美國適用 UL 1741 標(biāo)準(zhǔn)，其涵蓋了“分布式能源資源”的更一般應(yīng)用，包括對“轉(zhuǎn)換器和控制器”的要求。

新型輔助電源拓?fù)?/p>

這些標(biāo)準(zhǔn)對在此環(huán)境中工作的輔助 DC-DC 轉(zhuǎn)換器提出了具體性能要求。對于標(biāo)準(zhǔn)反激式或正激式轉(zhuǎn)換器拓?fù)?，超寬輸入范圍和相?dāng)高的最大輸入電壓極具挑戰(zhàn)性。當(dāng)改變脈沖寬度以調(diào)節(jié)輸出時，可能產(chǎn)生極高的內(nèi)部峰值電壓和電流，在這種情況下，需要更復(fù)雜的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)來限制元器件受到的壓力。

保護(hù)也非常重要，目的是確保轉(zhuǎn)換器能夠在頻繁“掉電”的情況下繼續(xù)運行，因為當(dāng)照明水平較低或面板處于陰暗處時，輸入會降至最小值以下。必須防止遠(yuǎn)程設(shè)施中可能發(fā)生的各種故障情況，例如過載、短路或過壓，避免損壞轉(zhuǎn)換器。轉(zhuǎn)換器還必須能夠承受高工作溫度，因為光伏系統(tǒng)往往會置于陽光充足的地方，以便最大程度地發(fā)揮能量收集潛力。滿足機構(gòu)指定的絕緣等級也很重要。

考慮到所有這些挑戰(zhàn)的綜合影響，為光伏應(yīng)用設(shè)計 1500 VDC 寬輸入 DC-DC 轉(zhuǎn)換器并非易事。

CUI 最近推出了 AE 系列 DC-DC 轉(zhuǎn)換器，其適合于工作電壓為 1500 VDC 的光伏應(yīng)用（圖 4）。該系列設(shè)計用于處理太陽能輔助電源所需的 200 至 1500 VDC 輸入范圍，提供 5、10、15 或 40 W 額定功率。輸出電壓選項為 5、9、12、15 或 24 VDC。這些轉(zhuǎn)換器符合 EN 62109-1 標(biāo)準(zhǔn)（歐洲版 IEC 62109-1），提供 4000 VAC 隔離，額定工作高度可達(dá) 5000 米。部分型號還符合 UL 1741 標(biāo)準(zhǔn)。轉(zhuǎn)換器提供密封式板安裝、底座安裝或 DIN 導(dǎo)軌形式等選擇，可在最高 70°C 的溫度下運行而不會降額。

圖 4：CUI 的 AE 系列 DC-DC 轉(zhuǎn)換器的輸入電壓范圍為 200 至 1500 VDC。（圖片來源：CUI, Inc.）

適用于 1500 VDC 光伏系統(tǒng)的插入式輔助電源

為 GW 級設(shè)施設(shè)計工業(yè)光伏發(fā)電系統(tǒng)時，能量轉(zhuǎn)換效率最大化是最重要的目標(biāo)。將太陽能電池陣列的輸出電壓提高到 1500 VDC 可支持達(dá)成這一目標(biāo)，不過需要全面的控制和監(jiān)視來實現(xiàn)最佳性能。用于維持這些功能的輔助電源必須符合可靠性和安全性標(biāo)準(zhǔn)，同時能夠在 200 VDC 至 1500 VDC 的寬輸入電壓范圍下運行。CUI 的最新一代 DC-DC 轉(zhuǎn)換器旨在克服這些挑戰(zhàn)，為光伏系統(tǒng)設(shè)計人員和集成商提供一種直接插入式解決方案。欲了解有關(guān) CUI AE 系列的更多信息，請訪問 Digi-Key 的用于再生能源應(yīng)用的 DC-DC 轉(zhuǎn)換器產(chǎn)品亮點頁面。