克服 1500 VDC 光伏系统的电源系统设计挑战

提高能效对于确保光伏发电在经济上可行至关重要。采用更大电池串以提高直流工作电压，可降低 I²R 损耗并节省部署成本，但是对为监视和控制电路供电的辅助电源的设计提出了挑战。

发展太阳能市场

虽然政府对光伏发电的补贴时有起伏，但装机容量却在不断增加。以 2014 年的 178 GW 为基数，预计 2019 年全球装机容量将达到 540 GW。欧洲的份额最大，预计 2019 年将达到 158 GW，但其他国家和地区的增长速度更快，例如中国和美国同期装机容量预计将分别增长四倍和三倍。成功的太阳能产业从经济角度看也很有利，2014 年该产业直接就业人数约为 5500 万人。

光伏发电要实现这些预测并进一步增长，每瓦成本必须继续降低。一个障碍是太阳能板本身的效率一般较低。如今，效率最高的单晶电池的工作效率约为 25％，这已经接近该技术的理论最大值。

提高工作电压以节省能源

显然，从太阳光线中获取的每一焦耳都很珍贵。从太阳能模块的直流输出到输送至电网的交流馈电，为了最大限度减少系统各部分的损耗，节能管理十分重要（图 1）。串联多个模块以产生高压直流输出，有助于降低电流，从而降低光伏阵列和逆变器之间的 I²R 损耗。并网系统以 1000 V_DC 运行是很常见的。一个典型系统包括 22 个串联模块以形成一个电池串，每个模块含有 90 节电池以产生约 45 V 的输出电压。这样的电池串可以产生 5.5 kW 的峰值功率，将 2727 个电池串组合起来就能获得 15 MW 的装机容量。

图 1：多兆瓦并网光伏发电机的关键功能。（图片来源：CUI, Inc.）

通过增加每串的模块数量以将输出电压提高到 1500 V_DC，进入每个组合器的最大电流可进一步降低到 1000 V_DC 对应值的 66.6％。阻性电缆损耗甚至更低，仅为之前值的 44.4％。这就为系统设计人员提供了更大的灵活性，可以通过减小电缆尺寸和指定更小的连接器来提高能效并降低安装成本。此外，实现给定输出功率所需的电池串也更少，从而减少了所需汇流箱的数量。假设每个汇流箱处理 20 个电池串，15 MW 装机容量将只需要 94 个汇流箱，而在 1000 V_DC 时需要 137 个汇流箱，相比之下减少了 31％。GTM 研究已计算出，设计一座以 1500 V_DC 运行的 10 MW 电厂，与 1000 V_DC 系统相比，部署成本可降低约 40 万美元（图 2）。

图 2：10 MW 电厂从 1000 V 改为 1500 V 可节省部署成本。（图像来源： CUI, Inc.）

1500 V 的设计挑战

这些潜在的成本节约和效率提升当然有吸引力，但整个系统的绝缘必须升级，汇流箱和逆变器也必须能够在更高电压下工作。值得庆幸的是，市场上已经有合适的逆变器，其中一些产品是基于最新的宽带隙半导体技术，与硅基替代产品相比效率更高。

然而，1500 V_DC 系统设计的另一个重要方面是，这些光伏组合器和逆变器需要从 1500 V_DC 线路获取自己的低压电源，从而为监视和控制电路供电。市场上很难找到能满足需求的小型 DC-DC 转换器：不仅要提供足够宽的输入电压范围以便在 1500 V_DC 下运行，而且要能够处理大电压降——电池串输出电压最低达到 200 V_DC。其要求输入范围至少为 7.5：1，而这并非常见规格。

图 3 显示了太阳能组合器单元的电源架构，其中包含一个提供 24 V_DC 输出的宽输入 DC-DC 转换器，用于通过额外的隔离和非隔离转换器为通信和处理/检测模块供电。该高压 DC-DC 主转换器需要全面增强的安全隔离，通常指定值为 4000 V_AC。

图 3：太阳能汇流箱的内部电源架构。（图片来源：CUI, Inc.）

安全考虑因素

安全方面适用的标准是 IEC 62109-1“用于光伏发电系统的电源转换器的安全性”，其与最高 1500 V_DC 的系统相关。标准的第 1 部分规定了一般要求，第 2 部分规定了逆变器的具体要求。IEC 62109-1 的范围涵盖了设计和建造方法，以确保能防范电击、机械危害、高温、火灾、化学危害和其他潜在危险。

该标准还包括对 IEC 60664“低压系统内设备的绝缘配合”的引用。与 DC-DC 转换器特别相关的是要求进行测试以验证不存在局部放电；当绝缘体中的微孔在高电压下击穿时可能发生局部放电，导致器件性能降级，甚至最终完全失效。测试与 1500 V_DC 工作电压密切相关，要求 DC-DC 转换器隔离栅采用特殊结构。

IEC 62109-1 的绝缘要求取决于系统电压、装置过压 (OV) 类别和环境污染程度 (PD)。OV 类别 II 用于具有 1500 V_DC 母线的系统中的光伏面板电路，最小冲击耐受电压为 6000 V。对于并网逆变器级，应使用 OV III，冲击耐受电压为 8000 V。

作为具有一定环境保护要求的工业级应用，设备受 PD 2 的约束，仅允许非导电性污染和偶尔凝结。IEC 62109-1 包含许多其他规范，必须加以考虑。

此外，美国适用 UL 1741 标准，其涵盖了“分布式能源资源”的更一般应用，包括对“转换器和控制器”的要求。

新型辅助电源拓扑

这些标准对在此环境中工作的辅助 DC-DC 转换器提出了具体性能要求。对于标准反激式或正激式转换器拓扑，超宽输入范围和相当高的最大输入电压极具挑战性。当改变脉冲宽度以调节输出时，可能产生极高的内部峰值电压和电流，在这种情况下，需要更复杂的拓扑结构来限制元器件受到的压力。

保护也非常重要，目的是确保转换器能够在频繁“掉电”的情况下继续运行，因为当照明水平较低或面板处于阴暗处时，输入会降至最小值以下。必须防止远程设施中可能发生的各种故障情况，例如过载、短路或过压，避免损坏转换器。转换器还必须能够承受高工作温度，因为光伏系统往往会置于阳光充足的地方，以便最大程度地发挥能量收集潜力。满足机构指定的绝缘等级也很重要。

考虑到所有这些挑战的综合影响，为光伏应用设计 1500 V_DC 宽输入 DC-DC 转换器并非易事。

CUI 最近推出了 AE 系列 DC-DC 转换器，其适合于工作电压为 1500 V_DC 的光伏应用（图 4）。该系列设计用于处理太阳能辅助电源所需的 200 至 1500 V_DC 输入范围，提供 5、10、15 或 40 W 额定功率。输出电压选项为 5、9、12、15 或 24 V_DC。这些转换器符合 EN 62109-1 标准（欧洲版 IEC 62109-1），提供 4000 V_AC 隔离，额定工作高度可达 5000 米。部分型号还符合 UL 1741 标准。转换器提供密封式板安装、底座安装或 DIN 导轨形式等选择，可在最高 70°C 的温度下运行而不会降额。

图 4：CUI 的 AE 系列 DC-DC 转换器的输入电压范围为 200 至 1500 V_DC。（图片来源：CUI, Inc.）

适用于 1500 V_DC 光伏系统的插入式辅助电源

为 GW 级设施设计工业光伏发电系统时，能量转换效率最大化是最重要的目标。将太阳能电池阵列的输出电压提高到 1500 V_DC 可支持达成这一目标，不过需要全面的控制和监视来实现最佳性能。用于维持这些功能的辅助电源必须符合可靠性和安全性标准，同时能够在 200 V_DC 至 1500 V_DC 的宽输入电压范围下运行。CUI 的最新一代 DC-DC 转换器旨在克服这些挑战，为光伏系统设计人员和集成商提供一种直接插入式解决方案。欲了解有关 CUI AE 系列的更多信息，请访问 Digi-Key 的用于再生能源应用的 DC-DC 转换器产品亮点页面。