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

發展太陽能市場

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

光伏發電要實現這些預測并進一步增長，每瓦成本必須繼續降低。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％，這已經接近該技術的理論最大值。

提高工作電壓以節省能源

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的交流饋電，為了最大限度減少系統各部分的損耗，節能管理十分重要（圖 1）。串聯多個模塊以產生高壓直流輸出，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。并網系統以 1000 VDC 運行是很常見的。一個典型系統包括 22 個串聯模塊以形成一個電池串，每個模塊含有 90 節電池以產生約 45 V 的輸出電壓。這樣的電池串可以產生 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：多兆瓦并網光伏發電機的關鍵功能。（圖片來源：CUI, Inc.）

通過增加每串的模塊數量以將輸出電壓提高到 1500 VDC，進入每個組合器的最大電流可進一步降低到 1000 VDC 對應值的 66.6％。阻性電纜損耗甚至更低，僅為之前值的 44.4％。這就為系統設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量。假設每個匯流箱處理 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，設計一座以 1500 VDC 運行的 10 MW 電廠，與 1000 VDC 系統相比，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 可節省部署成本。（圖像來源： CUI, Inc.）

1500 V 的設計挑戰

這些潛在的成本節約和效率提升當然有吸引力，但整個系統的絕緣必須升級，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，市場上已經有合適的逆變器，其中一些產品是基于最新的寬帶隙半導體技術，與硅基替代產品相比效率更高。

然而，1500 VDC 系統設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 轉換器：不僅要提供足夠寬的輸入電壓范圍以便在 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到 200 VDC。其要求輸入范圍至少為 7.5：1，而這并非常見規格。

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

圖 3：太陽能匯流箱的內部電源架構。（圖片來源：CUI, Inc.）

安全考慮因素

安全方面適用的標準是 IEC 62109-1“用于光伏發電系統的電源轉換器的安全性”，其與最高 1500 VDC 的系統相關。標準的第 1 部分規定了一般要求，第 2 部分規定了逆變器的具體要求。IEC 62109-1 的范圍涵蓋了設計和建造方法，以確保能防范電擊、機械危害、高溫、火災、化學危害和其他潛在危險。

該標準還包括對 IEC 60664“低壓系統內設備的絕緣配合”的引用。與 DC-DC 轉換器特別相關的是要求進行測試以驗證不存在局部放電；當絕緣體中的微孔在高電壓下擊穿時可能發生局部放電，導致器件性能降級，甚至最終完全失效。測試與 1500 VDC 工作電壓密切相關，要求 DC-DC 轉換器隔離柵采用特殊結構。

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

作為具有一定環境保護要求的工業級應用，設備受 PD 2 的約束，僅允許非導電性污染和偶爾凝結。IEC 62109-1 包含許多其他規范，必須加以考慮。

此外，美國適用 UL 1741 標準，其涵蓋了“分布式能源資源”的更一般應用，包括對“轉換器和控制器”的要求。

新型輔助電源拓撲

這些標準對在此環境中工作的輔助 DC-DC 轉換器提出了具體性能要求。對于標準反激式或正激式轉換器拓撲，超寬輸入范圍和相當高的最大輸入電壓極具挑戰性。當改變脈沖寬度以調節輸出時，可能產生極高的內部峰值電壓和電流，在這種情況下，需要更復雜的拓撲結構來限制元器件受到的壓力。

保護也非常重要，目的是確保轉換器能夠在頻繁“掉電”的情況下繼續運行，因為當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。必須防止遠程設施中可能發生的各種故障情況，例如過載、短路或過壓，避免損壞轉換器。轉換器還必須能夠承受高工作溫度，因為光伏系統往往會置于陽光充足的地方，以便最大程度地發揮能量收集潛力。滿足機構指定的絕緣等級也很重要。

考慮到所有這些挑戰的綜合影響，為光伏應用設計 1500 VDC 寬輸入 DC-DC 轉換器并非易事。

CUI 最近推出了 AE 系列 DC-DC 轉換器，其適合于工作電壓為 1500 VDC 的光伏應用（圖 4）。該系列設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。這些轉換器符合 EN 62109-1 標準（歐洲版 IEC 62109-1），提供 4000 VAC 隔離，額定工作高度可達 5000 米。部分型號還符合 UL 1741 標準。轉換器提供密封式板安裝、底座安裝或 DIN 導軌形式等選擇，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 光伏系統的插入式輔助電源

為 GW 級設施設計工業光伏發電系統時，能量轉換效率最大化是最重要的目標。將太陽能電池陣列的輸出電壓提高到 1500 VDC 可支持達成這一目標，不過需要全面的控制和監視來實現最佳性能。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準，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 轉換器旨在克服這些挑戰，為光伏系統設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 CUI AE 系列的更多信息，請訪問 Digi-Key 的用于再生能源應用的 DC-DC 轉換器產品亮點頁面。