光纖在太陽能電池板控制和監(jiān)測系統(tǒng)中的應(yīng)用分析

近年來由于受到石油價格浮動和全球暖化問題的影響，太陽能逐漸成為滿足全球能源需求的普遍替代來源，石油為有限且日益稀少的能源，因此隨著需求的增加價格也會波動，而將石油轉(zhuǎn)化成電力時產(chǎn)生的大量二氧化碳和其他污染物也會對地球造成傷害。在太陽能發(fā)電系統(tǒng)中，太陽熱能會產(chǎn)生大量的電流，為了保護(hù)設(shè)備避免受到巨大電流泄漏的影響，電氣絕緣就成為確保電力系統(tǒng)質(zhì)量和可靠性非常重要的關(guān)鍵。光纖提供了高電流和高電壓短時脈沖的絕緣保護(hù)，可以避免不必要信號進(jìn)入電力設(shè)備控制和通信系統(tǒng)，光纖也可以應(yīng)用在控制太陽能電池板的跟蹤能力。相較于銅電纜，光通信可以涵蓋更長的連接距離，隨著太陽能發(fā)電廠規(guī)模的逐漸增大，想要監(jiān)測并控制所有太陽能電池板就需要長距離的連接，而這只有通過光纜才可能達(dá)成。光纖零組件在太陽能系統(tǒng)中的主要應(yīng)用包括：

逆變器的功率電子?xùn)膨?qū)動

太陽跟蹤控制和通信電路板

太陽能電廠變電站自動化和保護(hù)繼電器

太陽能發(fā)電

太陽能電池板采集太陽熱能并通過光伏模塊或太陽能集熱器轉(zhuǎn)換為電能，為了把各個太陽能電池板所產(chǎn)生的電力集成到電力傳輸線上，這些能量必須轉(zhuǎn)換為市電級的交流電源，請參考圖1。太陽能系統(tǒng)中使用逆變器提供交流電源，變壓器則用來提高電壓到中高等級以連接電力傳輸線，另外還安裝有電路遮斷器，以便在傳輸線上出現(xiàn)故障時保護(hù)系統(tǒng)。為了產(chǎn)生所需的交流電，功率半導(dǎo)體器件必須以正確的頻率開關(guān)以確保干凈可靠的交流電源，而開關(guān)控制信號通常由使用數(shù)字信號處理器（DSP， Digital Signal Processor）的嵌入式控制器通過光纖鏈路提供，帶來高電氣隔離能力。目前市場上常見的功率半導(dǎo)體器件包括：

絕緣柵雙極晶體管（IGBT， Insulated Gate Bipolar Transistor）

門極可關(guān)斷晶閘管（GTO， Gate Turn Off Thyristor）

集成門極換流晶閘管（IGCT， Integrated Gate Commutated Thyristor）

對稱門極換流晶閘管（SGCT， Symmetrical Gate Commutated Thyristor）

發(fā)射極關(guān)斷晶閘管（ETO， Emitter Turn Off Thyristor）

Avago的通用鏈路（Versatile Link）產(chǎn)品HFBR-0500Z系列已經(jīng)成為功率半導(dǎo)體控制電路板最受歡迎的標(biāo)準(zhǔn)器件，簡單的發(fā)射器和接收器電路使得這些器件非常容易集成到使用TTL邏輯電平的系統(tǒng)中，圖3顯示了5MBd數(shù)據(jù)率操作的常見接口電路。

太陽能電池板控制和監(jiān)測系統(tǒng)

要極大化太陽能的電力轉(zhuǎn)換有兩個主要方法，一個是使用最高效率的太陽能電池板，另一個則是全天跟蹤太陽的移動，經(jīng)驗顯示，相較于固定式系統(tǒng)，帶有跟蹤系統(tǒng)的太陽能電池板可以提供更高的電力輸出。隨著太陽能電廠的規(guī)模越來越大以便產(chǎn)生更多的電力，它們開始配備智能功能來監(jiān)測每個太陽能電池板的性能，如監(jiān)測太陽能電池板的電力輸出和溫度以極大化電力輸出，控制太陽能電池板的角度和方向也非常重要，在可以產(chǎn)生數(shù)百萬瓦電力的商業(yè)運轉(zhuǎn)太陽能電廠中，太陽能電池板的安裝區(qū)域非常廣大，只有通過光纖網(wǎng)絡(luò)才能達(dá)成可靠的控制和監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)，請參考圖4和表2。

變電站自動化

變電站的目的是連接太陽能電廠產(chǎn)生的電力到公共電網(wǎng)以便將電力傳輸?shù)浇K端消費者，基于IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)的現(xiàn)代化變電站自動化在設(shè)計上可以改善總體系統(tǒng)的可靠性，并大幅度減少使用的銅導(dǎo)線數(shù)，請參考圖5。

由于變電站中大部分的設(shè)備，如開關(guān)柜、變壓器、電路遮斷器等都以中高電壓工作，因此必須加上電氣隔離以保護(hù)連接的低電壓設(shè)備，這個設(shè)備同時也會因為高開關(guān)電壓和電流產(chǎn)生大量的電磁場，為了確?？煽康目刂?，標(biāo)準(zhǔn)要求通信線路必須具備良好的電磁場抗擾度，在這種情況下，光纖就成為滿足變電站自動化控制和通信線路要求的最好解決方案，請參考表3。

Avago提供有許多基于10/100/1000Mbps以太網(wǎng)協(xié)議，適合實施IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)的產(chǎn)品，圖6為快速以太網(wǎng)光纖收發(fā)器的典型電路，Avago的HFBR-57E5APZ基于LVPECL的輸入和輸出數(shù)據(jù)信號可以很容易地連接到目前市場上常見的以太網(wǎng)物理層芯片。