防反接電路在光伏系統中的應用

在光伏系統相關設備的實際應用過程中，人為將光伏電池組件正負極錯誤接入設備的情況不可避免，這有可能造成比較嚴重的后果。如并網逆變器，離網逆變器和揚水逆變器等光伏控制器多會在直流輸入側并聯電解電容以支撐直流電壓。若電源輸入正負極反接，則電解電容會因極性錯誤而損毀，造成控制器不可自行恢復的損壞。因此，光伏系統相關設備中一般都設計有防反接電路，確保在輸入電源反接的情況下，保護光伏設備不被損壞。

 

最簡單的防反接電路就是在輸入電路中串聯一只二極管，如圖1所示，在輸入電壓較低的應用場合，可采用肖特基二極管，減小因管壓降帶來的損耗，提高整機工作效率。

圖1 二極管防反接電路

 

為了進一步減小因二極管壓降引起的損耗，可采用MOSFET作為防反接電路中的開關器件，如圖2所示，選擇導通壓降較小的MOSFET，在輸入電源正確接入的情況下，電源電壓通過驅動回路給MOSFET柵極供電，MOSFET導通；在輸入電源反接的情況下，MOSFET柵極電壓對源極電壓差為負值，MOSFET關斷，供電通道被阻斷。選擇導通電阻較小的MOSFET器件，可顯著降低防反接電路帶來的損耗，但隨著電壓等級的增加，該方案與二極管方案相比，性價比降低。

圖2 MOSFET防反接電路

 

目前市場上有些光伏系統相關設備取消了防反接電路設計，這有一定的依據，接下來進行分析。

 

設備中電解電容后端為逆變電路，所用的IGBT或MOS管有等效的反并聯二極管，若光伏電源輸入接反，電源將通過反并聯二極管形成短路回路，根據光伏組件特性，光伏電源電壓被拉低，電壓值僅為兩只二極管正向導通壓降和，不會對電解電容造成損壞，而光伏組件的短路電流與額定電流相比差異不大，合理的匹配下，該短路電流短時間內不會對設備造成損壞。

 

為了驗證以上分析，進行了相關測試。測試采用的光伏陣列最大輸出功率2.2kW，開路電壓400V，最大短路電流7A。采用天源公司生產的PB2200L型揚水逆變器進行反接測試，由于該逆變器具備防反接電路，故先將該電路中的防反二極管用銅線短接。記錄光伏陣列電源反接接通瞬間，電解電容兩端電壓和輸入電流的波形，如圖3所示，由于測試時非光照最強的條件，故短路電流未達到最大短路電流值，但可以從波形中看出，電解電容兩端電壓被鉗位至1.5V左右，輸入電流也維持在光伏陣列最大短路電流值以內，與理論分析結果一致。

圖3 光伏陣列電源輸入反接瞬間波形

 

由測試可知，取消了防反接電路的光伏設備，確實能在光伏陣列電源反接的情況下，確保自身安全。但真的可以將防反接電路取消嗎？我們考慮以下幾種情況：

1. 光伏電源功率遠大于相關設備功率，即可能短路電流大于上述反并聯二極管電流限值，導致二極管過流損壞；

2. 光伏電源反接后未及時進行改正，長時間的短路會對光伏陣列造成損害；

3. 多路光伏陣列并聯輸入的情況下，若其中有某路光伏陣列出現異常，如被遮擋或損壞，則可能在光伏陣列之間形成環路電流，造成系統效率降低，嚴重時可能損壞光伏組件。

 

對于前兩種情況分析較為簡單，此處不再贅述。對于第三種情況，我們進行了相關測試，測試采用四組相同規格的光伏陣列，每組開路電壓120V，最大輸出功率1kW，短路電流10A。測試時將陣列3、4用遮光布覆蓋，測量并記錄光伏陣列的工作情況。

 

由測試結果可看出，在無防反接電路的情況下，正常的光伏陣列和被遮擋的光伏陣列之間由于存在電位差，會形成陣列環路電流。如上表格記錄，環路電流0.8A，即被遮擋的光伏陣列此時消耗約90W功率，若光照條件好的情況下，該數值將更高，這將造成電池板發熱，影響使用壽命。

 

綜合以上分析和測試，為了在各種異常條件下確保設備和光伏陣列的安全可靠，光伏系統中需加入防反接電路。