克服 1500 VDC 光電系統中的電源系統設計難題

為了確保光電發電在財務上可行，提高能效是基本工作。改用較大的電池串提高 DC 工作電壓，雖能減少 I²R 損耗並節省部署成本，但也對供電給監測和控制電路的輔助電源帶來了設計難題。

太陽能市場的成長

儘管政府對於光電 (PV) 發電的補貼時有時無，裝機容量仍持續增加。全球容量在 2014 年的基本規模為 178 GW，預測將在 2019 年達到 540 GW。歐洲的佔有率最高，預期在 2019 年達到 158 GW，不過其他國家的成長速度較快，例如在同個時期，中國和美國的裝機容量就分別預期增加四倍與三倍。太陽能產業成功發展，從經濟觀點看來也是好現象，2014 年該產業的直接就業人口約 5,500 萬人。

若 PV 發電能達到這些預測成效並進一步成長，每瓦發電成本勢必繼續降低。會遇到的一項障礙就是，太陽能板本身普遍來說效率偏低。目前效率最高的單晶電池運作效率約為 25%，而這已經接近此項技術的理論最大值。

提高工作電壓以節省能源

很明顯的，從日光採集而來的每一焦耳都相當珍貴。必須做到節能管理，以盡可能降低系統每一部分的損耗，從太陽能模組的 DC 輸出，到電網的 AC 饋送皆包括在內 (圖 1)。將多個模組串聯產生高電壓 DC 輸出會有幫助，這樣做能降低電流，進而減少光電陣列與逆變器之間的 I²R 損耗。併網系統以 1000 V_DC 運作是相當普遍的情形。典型的系統由 22 個模組串聯而成，並組成一個電池串，而每個模組各含 90 個電池，可產生約 45 V 的輸出電壓。此電池串能產生 5.5 kW 的峰值功率。舉例來說，可合併 2727 個電池串配置成 15 MW 的裝機容量。

圖 1：數 MW 併網型 PV 發電機的主要功能。(圖片來源：CUI, Inc.)

增加每串的模組數量，將輸出電壓提高至 1500 V_DC，即可將進入各結合器的最大電流進一步降低至 1000 V_DC 時電流值的 66.6%。電阻式纜線的損耗甚至更低，僅為上述值的 44.4%。如此一來，系統設計人員便有更大的彈性，透過縮減纜線尺寸並指定更小的連接器，進而提高能效，並降低裝機成本。此外，達成指定輸出功率所需的串數減少，因此能減少需求的結合器盒數量。假設每個結合器盒各負責處理 20 串，15 MW 的裝機容量僅需要 94 盒，而 1000 V_DC 時需要 137 盒，也就是需求量減少 31%。GTM 研究機構已算出，設計一座以 1500 V_DC 運作的 10 MW 廠房，與 1000 V_DC 系統相比，部署成本降低約 40 萬美元 (圖 2)。

圖 2：10 MW 廠房從 1000 V 改為 1500 V 的部署成本節省潛力。(圖片來源：CUI, Inc.)

1500 V 的設計難題

上述的成本節省潛力與效率增進固然吸引人，但整個系統的隔離必須提高等級，而且結合器盒與逆變器也必須能以更高的電壓運作。幸好市面上已有適合的逆變器，其中有些產品更以最新的寬能隙半導體為基礎，能比矽基型替代產品提供更高的效率。

不過，1500 V_DC 系統的設計另有一個重要層面，就是這些 PV 結合器和逆變器需要自 1500 V_DC 線路衍生出其專屬的低電壓電源，以便供電給監測和控制電路。目前市面上並沒有任一款小型 DC-DC 轉換器可提供足夠以 1500 V_DC 運作的輸入電壓範圍，而且還要能因應電池串輸出電壓最低降至 200 V_DC 的壓降。必須要有至少 7.5:1 的輸入範圍才可滿足上述要求，但這並非常見規格。

圖 3 指出太陽能結合器單元的功率架構，其中含有寬廣輸入範圍的 DC-DC 轉換器與 24 V_DC 輸出，可透過額外的隔離式和非隔離式轉換器，供電給通訊和處理／感測模組。主要的高電壓 DC-DC 轉換器需要充分強化的安全隔離能力，通常是指定在 4000 V_AC。

圖 3：太陽能結合器盒的內部電源架構。(圖片來源：CUI, Inc.)

安全考量

在安全考量方面，適用標準為 IEC 62109-1《光電電源系統用的電源轉換器安全性》，可用來規範高達 1500 V_DC 的系統。此標準的第 1 篇制訂了一般要求，第 2 篇則制訂逆變器的特定要求。IEC 62109-1 的範圍涵蓋設計與建構方式，以確保對電擊、機械危害、高溫、起火、化學危害及其他潛在危險提供防護。

此標準亦提供 IEC 60664《低電壓系統內部設備的隔離協調作業》的參考資訊。其中與 DC-DC 轉換器特別相關的要求是必須進行測試，以確認沒有部分放電的情況。當隔離材料的微孔隙遇到高電壓而崩潰時可能會發生局部放電，這會引起劣化，最終完全失效。此測試與 1500 V_DC 工作電壓非常相關，並要求特別建構 DC-DC 轉換器隔離屏障。

IEC 62109-1 的隔離要求視系統電壓、安裝設備的過壓 (OV) 類別以及對環境的污染等級 (PD) 而定。使用 1500 V_DC 匯流排之系統的 PV 板電路採行 OV 類別 II，其最低脈衝耐受能力為 6000 V。至於併網型逆變器級，則採用 OV III，且脈衝耐受能力要求為 8000 V。

此設備是具有一定環境防護能力的工業級應用，因此受到 PD 2 的規範，僅允許非導電污染及偶發性凝結。IEC 62109-1 含有許多必須考量的進一步規格要求。

此外，美國適用 UL 1741 標準。此標準涵蓋「分散式能源」中更廣泛的一般應用，並包含對於「轉換器和控制器」的要求。

新型輔助電源拓撲

這些標準針對在此環境內運作的輔助 DC-DC 轉換器制訂特定的效能要求。超寬廣的輸入範圍，以及高額最大輸入電壓，對於標準型返馳式或順向轉換器拓撲來說，是極高的挑戰。若為了調節輸出而改變脈寬，導致出現極高內部峰值電壓和電流時，則需使用更複雜的拓撲，來限制元件所受到的應力。

當照明度低或面板遭到遮蔽時，輸入會降低至最低值以下，因此提供保護極為重要，可確保在經常「欠壓」情況下，轉換器仍可繼續運作。必須預防遠距安裝設備可能會發生的各種故障狀態，例如過載、短路或過壓，以免轉換器受損。轉換器也必須可耐受高工作溫度，因為 PV 系統偏好放置在全日照下，以發揮最大的能源採集潛能。符合機構指定的隔離等級也很重要。

在考量這些所有個別難題的綜合影響後，要針對 PV 應用設計 1500 V_DC 寬廣輸入的 DC-DC 轉換器並不容易。

CUI 近期針對 PV 應用推出的 AE 系列 DC-DC 轉換器，便是以 1500 V_DC 運作 (圖 4)。這些產品的設計可因應在太陽能輔助電源供應器中使用所需的 200 至 1500 V_DC 輸入範圍，並提供 5、10、15 或 40 W 額定功率選擇。輸出電壓選項有 5、9、12、15 或 24 V_DC。這些轉換器通過 EN 62109-1 標準，歐洲版則通過 IEC 62109-1，具有 4000 V_AC 隔離能力和高達 5000 公尺的額定工作海拔。部分型號亦符合 UL 1741 標準。提供密閉式板安裝、底盤安裝或 DIN 軌道形式等選擇，且轉換器可在高達 70°C 下運作而無需降額。

圖 4：CUI 的 AE 系列 DC-DC 轉換器能以 200 至 1500 V_DC 輸入電壓操作。(圖片來源：CUI, Inc.)

適合 1500 V_DC PV 系統的直接替代型輔助電源

在針對 GW 級設備設計工業級 PV 發電系統時，發揮最大的能源轉換效率是最重要的目標。將太陽能陣列的輸出電壓提高至 1500 V_DC 即可支援此目標，不過需要全面的控制與監測，以達最佳效能。用來維持這些功能的輔助電源供應器必須符合可靠性和安全標準，同時也要能在低至 200 V_DC、高達 1500 V_DC 的大幅度變動輸入電壓範圍內運作。CUI 最新一代的 DC-DC 轉換器能因應這些難題，能為 PV 系統設計人員和整合廠商帶來直接替代型解決方案。如需深入瞭解 CUI 的 AE 系列，請前往 Digi-Key 的再生能源應用 DC-DC 轉換器產品重點網頁。