適用于1500 VDC光伏系統(tǒng)的電源解決方案

提高能效對(duì)于確保光伏發(fā)電在經(jīng)濟(jì)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(duì)為監(jiān)視和控制電路供電的輔助電源的設(shè)計(jì)提出了挑戰(zhàn)。

發(fā)展太陽(yáng)能市場(chǎng)

雖然政府對(duì)光伏發(fā)電的補(bǔ)貼時(shí)有起伏，但裝機(jī)容量卻在不斷增加。以 2014 年的 178 GW 為基數(shù)，預(yù)計(jì) 2019 年全球裝機(jī)容量將達(dá)到 540 GW。歐洲的份額最大，預(yù)計(jì) 2019 年將達(dá)到 158 GW，但其他國(guó)家和地區(qū)的增長(zhǎng)速度更快，例如中國(guó)和美國(guó)同期裝機(jī)容量預(yù)計(jì)將分別增長(zhǎng)四倍和三倍。成功的太陽(yáng)能產(chǎn)業(yè)從經(jīng)濟(jì)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(wàn)人。

光伏發(fā)電要實(shí)現(xiàn)這些預(yù)測(cè)并進(jìn)一步增長(zhǎng)，每瓦成本必須繼續(xù)降低。一個(gè)障礙是太陽(yáng)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(yáng)光線中獲取的每一焦耳都很珍貴。從太陽(yáng)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(gè)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(yùn)行是很常見(jiàn)的。一個(gè)典型系統(tǒng)包括 22 個(gè)串聯(lián)模塊以形成一個(gè)電池串，每個(gè)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(gè)電池串組合起來(lái)就能獲得 15 MW 的裝機(jī)容量。

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

通過(guò)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(gè)組合器的最大電流可進(jìn)一步降低到 1000 VDC 對(duì)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(jì)人員提供了更大的靈活性，可以通過(guò)減小電纜尺寸和指定更小的連接器來(lái)提高能效并降低安裝成本。此外，實(shí)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(gè)匯流箱處理 20 個(gè)電池串，15 MW 裝機(jī)容量將只需要 94 個(gè)匯流箱，而在 1000 VDC 時(shí)需要 137 個(gè)匯流箱，相比之下減少了 31%。GTM 研究已計(jì)算出，設(shè)計(jì)一座以 1500 VDC 運(yùn)行的 10 MW 電廠，與 1000 VDC 系統(tǒng)相比，部署成本可降低約 40 萬(wàn)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： CUI, Inc.)

1500 V 的設(shè)計(jì)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(gè)系統(tǒng)的絕緣必須升級(jí)，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(chǎng)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(jì)的另一個(gè)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(chǎng)上很難找到能滿(mǎn)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(yùn)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(jiàn)規(guī)格。

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

圖 3：太陽(yáng)能匯流箱的內(nèi)部電源架構(gòu)。(圖片：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(jì)和建造方法，以確保能防范電擊、機(jī)械危害、高溫、火災(zāi)、化學(xué)危害和其他潛在危險(xiǎn)。

該標(biāo)準(zhǔn)還包括對(duì) 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(cè)試以驗(yàn)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(shí)可能發(fā)生局部放電，導(dǎo)致器件性能降級(jí)，甚至最終完全失效。測(cè)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(guò)壓 (OV) 類(lèi)別和環(huán)境污染程度 (PD)。OV 類(lèi)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(duì)于并網(wǎng)逆變器級(jí)，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(jí)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(guó)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(duì)“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(duì)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(duì)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(shí)，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(lái)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(yùn)行，因?yàn)楫?dāng)照明水平較低或面板處于陰暗處時(shí)，輸入會(huì)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(guò)載、短路或過(guò)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?yàn)楣夥到y(tǒng)往往會(huì)置于陽(yáng)光充足的地方，以便最大程度地發(fā)揮能量收集潛力。滿(mǎn)足機(jī)構(gòu)指定的絕緣等級(jí)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(jì) 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(jì)用于處理太陽(yáng)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(xiàng)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(hào)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(yùn)行而不會(huì)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：CUI, Inc.)

適用于 1500 VDC 光伏系統(tǒng)的插入式輔助電源

為 GW 級(jí)設(shè)施設(shè)計(jì)工業(yè)光伏發(fā)電系統(tǒng)時(shí)，能量轉(zhuǎn)換效率最大化是最重要的目標(biāo)。將太陽(yáng)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(guò)需要全面的控制和監(jiān)視來(lái)實(shí)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(shí)能夠在 200 VDC 至 1500 VDC 的寬輸入電壓范圍下運(yùn)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(jì)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(qǐng)?jiān)L問(wèn) Digi-Key 的用于再生能源應(yīng)用的 DC-DC 轉(zhuǎn)換器產(chǎn)品亮點(diǎn)頁(yè)面。