光纤在太阳能电池板控制和监测系统中的应用分析

近年来由于受到石油价格浮动和全球暖化问题的影响，太阳能逐渐成为满足全球能源需求的普遍替代来源，石油为有限且日益稀少的能源，因此随着需求的增加价格也会波动，而将石油转化成电力时产生的大量二氧化碳和其他污染物也会对地球造成伤害。在太阳能发电系统中，太阳热能会产生大量的电流，为了保护设备避免受到巨大电流泄漏的影响，电气绝缘就成为确保电力系统质量和可靠性非常重要的关键。光纤提供了高电流和高电压短时脉冲的绝缘保护，可以避免不必要信号进入电力设备控制和通信系统，光纤也可以应用在控制太阳能电池板的跟踪能力。相较于铜电缆，光通信可以涵盖更长的连接距离，随着太阳能发电厂规模的逐渐增大，想要监测并控制所有太阳能电池板就需要长距离的连接，而这只有通过光缆才可能达成。光纤零组件在太阳能系统中的主要应用包括：

逆变器的功率电子栅驱动

太阳跟踪控制和通信电路板

太阳能电厂变电站自动化和保护继电器

太阳能发电

太阳能电池板采集太阳热能并通过光伏模块或太阳能集热器转换为电能，为了把各个太阳能电池板所产生的电力集成到电力传输线上，这些能量必须转换为市电级的交流电源，请参考图1。太阳能系统中使用逆变器提供交流电源，变压器则用来提高电压到中高等级以连接电力传输线，另外还安装有电路遮断器，以便在传输线上出现故障时保护系统。为了产生所需的交流电，功率半导体器件必须以正确的频率开关以确保干净可靠的交流电源，而开关控制信号通常由使用数字信号处理器（DSP， Digital Signal Processor）的嵌入式控制器通过光纤链路提供，带来高电气隔离能力。目前市场上常见的功率半导体器件包括：

绝缘栅双极晶体管（IGBT， Insulated Gate Bipolar Transistor）

门极可关断晶闸管（GTO， Gate Turn Off Thyristor）

集成门极换流晶闸管（IGCT， Integrated Gate Commutated Thyristor）

对称门极换流晶闸管（SGCT， Symmetrical Gate Commutated Thyristor）

发射极关断晶闸管（ETO， Emitter Turn Off Thyristor）

Avago的通用链路（Versatile Link）产品HFBR-0500Z系列已经成为功率半导体控制电路板最受欢迎的标准器件，简单的发射器和接收器电路使得这些器件非常容易集成到使用TTL逻辑电平的系统中，图3显示了5MBd数据率操作的常见接口电路。

太阳能电池板控制和监测系统

要极大化太阳能的电力转换有两个主要方法，一个是使用最高效率的太阳能电池板，另一个则是全天跟踪太阳的移动，经验显示，相较于固定式系统，带有跟踪系统的太阳能电池板可以提供更高的电力输出。随着太阳能电厂的规模越来越大以便产生更多的电力，它们开始配备智能功能来监测每个太阳能电池板的性能，如监测太阳能电池板的电力输出和温度以极大化电力输出，控制太阳能电池板的角度和方向也非常重要，在可以产生数百万瓦电力的商业运转太阳能电厂中，太阳能电池板的安装区域非常广大，只有通过光纤网络才能达成可靠的控制和监测网络，请参考图4和表2。

变电站自动化

变电站的目的是连接太阳能电厂产生的电力到公共电网以便将电力传输到终端消费者，基于IEC 61850标准的现代化变电站自动化在设计上可以改善总体系统的可靠性，并大幅度减少使用的铜导线数，请参考图5。

由于变电站中大部分的设备，如开关柜、变压器、电路遮断器等都以中高电压工作，因此必须加上电气隔离以保护连接的低电压设备，这个设备同时也会因为高开关电压和电流产生大量的电磁场，为了确保可靠的控制，标准要求通信线路必须具备良好的电磁场抗扰度，在这种情况下，光纤就成为满足变电站自动化控制和通信线路要求的最好解决方案，请参考表3。

Avago提供有许多基于10/100/1000Mbps以太网协议，适合实施IEC 61850标准的产品，图6为快速以太网光纤收发器的典型电路，Avago的HFBR-57E5APZ基于LVPECL的输入和输出数据信号可以很容易地连接到目前市场上常见的以太网物理层芯片。