1500V光伏發電系統的電源應用方案
摘要：針對當前1500V光伏發電技術的發展趨勢和相關配件市場需求，廣州金升陽科技有限公司匠心研制并推出與之相匹配的PVxx-29Bxx 系列電源，可直接從1500V高壓端取電為光伏系統的監控電路供電，簡化光伏系統電路的設計，可以避免采用市電或蓄電池供電而引起的建設、維護成本過高問題，提升光伏發電系統綜合效益。該產品具有的多重保護功能，在電源模塊或者外部電路工作異常時，進一步提升電源及其負載的安全性能。
一、引言
2015年巴黎氣候大會在《聯合國氣候變化框架公約》下達成一項“具有法律約束力的并適用于各方的”全球低碳減排新協議，進一步推動光伏、風電等綠色環保新能源發展和普及。2015年我國通過《經濟和社會發展“十三五”規劃》，其中光伏發電市場將持續壯大，初步規劃裝機目標將達1.5億千瓦。有內外政策性、需求的引導和支持，以及能源物聯網發展，使得光伏發電進一步規模化、智能化，有利于減低光伏發電成本，促進技術創新和產業升級。
全球光伏產業的發展目標都是要和傳統的電力進行競爭，以提供更低成本、更高收益的清潔能源。當前主流的光伏發電系統是基于1000V直流段電壓設計和建造的，但從系統的角度來看，若有更高的輸入、輸出電壓等級，可以降低交直流側線損及變壓器低壓側繞組損耗，電站的系統效率預期可以提升1.5-2%。GTM的的分析報告《2016-2022年1500V光伏系統和部件：成本、供應商與預期》預計，在2016年全球對1500V光伏系統的需求將占9%左右，相當于約4.6GW。因此，1500V光伏發電系統必將是未來發展趨勢。
二、光伏發電系統基本結構及組件要求
在太陽能光伏發電系統中，為了減少光伏電池陣列與逆變器之間的連線，以組串形式構建光伏陣列，再將相應數量光伏陣列并聯接入光伏匯流箱進行電能匯流，經直流柜輸出給光伏逆變器，逆變升壓后并入電網，因此完整的光伏發電系統包括光伏陣列組、光伏匯流箱、直流柜、光伏逆變器、升壓變壓器等部分。如圖一所示：
不同地域、季節的光照強度不同，以及早晚陽光照射度也不一樣，光伏陣列輸出電壓是系統最高電壓范圍內存在較大波動。光伏匯流箱需監測每組光伏陣列的電壓、電流、功率、防雷等狀態，并實現光伏陣列的故障報警、定位和通信等功能。光伏逆變器在進行電能交直流轉換時，需監控轉換過程的電壓、電流等，并驅動控制功率器件工作。由于光伏陣列輸出電壓高達1kV以上，普通模塊電源無法從高壓線路上直接取電工作，若采用外部獨立電源給多個光伏匯流箱和逆變器等監控單元供電，則存在工作電壓不穩定、系統布線問題、單個匯流箱短路故障會導致整個監控系統供電終止等問題。
因此，光伏發電系統對模塊電源有以下幾點要求：
• 200-1500VDC電壓輸入，輸出12V/15V/24V等常規電壓
• 輸入輸出之間可以承受較高的隔離電壓特性
• 具備輸入欠壓、防反接等保護，具備輸出過流、短路、過壓等保護功能
• 要滿足不同地域的極端工作溫差要求
針對光伏發電系統的高壓特性及應用需求，廣州金升陽科技有限公司特別研發出一款200-1500VDC電壓輸入、4000VAC隔離的模塊電源，并結合光伏系統各單元電路安全隔離特性，提供一整套控制單元的電源方案。
三、光伏匯流箱監控單元電源方案
為了進一步提高系統的可靠性和實用性，在光伏匯流箱里配置了光伏專用直流防雷模塊、直流熔斷器和斷路器，并設置工作狀態監測、控制處理、通信等功能電路。
如圖二所示，在光伏匯流箱系統中，PVxx-29B24系列具備的200-1500VDC電壓輸入、4000VAC隔離耐壓、高可靠特性，可從高壓端直接取電，經轉換輸出24VDC電壓給監控電路供電。采用F0505S-1WR2給霍爾傳感器隔離供電，充分確保高低壓之間安全隔離，；采用B0503XT-2WR2模塊進行隔離轉換輸出3.3V給MCU供電；通信采用集成隔離電源的TD501D485H通信模塊，可抑制電磁干擾和消除接地環路影響。整體電源方案在滿足功能需求及安全隔離，同時又便于整體系統簡化設計和穩定可靠。
四、光伏逆變器監控單元電源方案
在前端匯流箱進行電能匯流，由直流柜檢測后，轉向逆變器進行直流轉換成交流。逆變器在工作過程中，同樣需要轉換過程監測、控制和通信，以保證逆變電壓滿足指標要求。此部分監控單元可直接從高壓(200-1500VDC)母線上取電工作。
如圖三所示，由PV系列模塊電源直接從高壓母線上取電轉換輸出24V，再經過非隔離轉換模塊K7805-500R3輸出5VDC電壓；B0503XT-2WR2給MCU提供滿足功能隔離耐壓的3.3V工作電壓；采用隔離、高速的TD501D485H通信模塊，可抑制電磁干擾和消除接地環路,保護系統電路免受外部網絡影響；另外，金升陽專門針對逆變全橋的IGBT開發一款集成有DC-DC電源的隔離驅動器QP12W08S-37，簡化客戶驅動控制電路的設計，提高可靠性。
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