光纖在太陽能系統的運用通訊

光纖在太陽能系統的應用 - 通訊/絡 - 電子工程

近年來由于遭到石油價格浮動和全球暖化問題的影響，太陽能逐步成為滿足全球能源需求的普遍替換來源，石油為有限且日益希少的能源，因此隨著需求的增加價格也會波動，而將石油轉化成電力時產生的大量二氧化碳和其他污染物也會對地球造成傷害。在太陽能發電系統中，太陽熱能會產生大量的電流，為了保護設備避免遭到巨大電流泄漏的影響，電氣絕緣就成為確保電力系統質量和可靠性非常重要的關鍵。光纖提供了高電流和高電壓短時脈沖的絕緣保護，可以避免不必要信號進入電力設備控制和通訊系統，光纖也可以運用在控制太陽能電池板的跟蹤能力。相較于銅電纜，光通信可以涵蓋更長的連接距離，隨著太陽能發電廠范圍的逐漸增大，想要監測并控制所有太陽能電池板就需要長距離的連接，而這只有通過光纜才可能達成。光纖零組件在太陽能系統中的主要運用包括：

? 逆變器的功率電子柵驅動

? 太陽跟蹤控制和通訊電路板

? 太陽能電廠變電站自動化和保護繼電器

太陽能發電

太陽能電池板搜集太陽熱能并通過光伏模塊或太陽能集熱器轉換為電能，為了把各個太陽能電池板所產生的電力集成到電力傳輸線上，這些能量必須轉換為市電級的交換電源，請參考圖1。太陽能系統中使用逆變器提供交換電源，變壓器則用來提高電壓到中高等級以連接電力傳輸線，另外還安裝有電路遮斷器，以便在傳輸線上出現故障時保護系統。為了產生所需的交流電，功率半導體器件必須以正確的頻率開關以確保干凈可靠的交換電源，而開關控制信號通常由使用數字信號處理器(DSP, Digital Signal Processor)的嵌入式控制器通過光纖鏈路提供，帶來高電氣隔離能力。目前市場上常見的功率半導體器件包括：

? 絕緣柵雙極晶體管(IGBT, Insulated Gate Bipolar Transistor)

? 門極可關斷晶閘管(GTO, Gate Turn Off Thyristor)

? 集成門極換流晶閘管(IGCT, Integrated Gate Commutated Thyristor)

? 對稱門極換流晶閘管(SGCT, Symmetrical Gate Commutated Thyristor)

? 發射極關斷晶閘管(ETO, Emitter Turn Off Thyristor)

Avago的通用鏈路(Versatile Link)產品HFBR-0500Z系列已成為功率半導體控制電路板最受歡迎的標準器件，簡單的發射器和接收器電路使得這些器件非常容易集成到使用TTL邏輯電平的系統中，圖3顯示了5MBd數據率操作的常見接口電路。

太陽能電池板控制和監測系統

要極大化太陽能的電力轉換有兩個主要方法，一個是使用最高效力的太陽能電池板，另一個則是全天跟蹤太陽的移動，經驗顯示，相較于固定式系統，帶有跟蹤系統的太陽能電池板可以提供更高的電力輸出。隨著太陽能電廠的范圍越來越大以便產生更多的電力，它們開始配備智能功能來監測每一個太陽能電池板的性能，如監測太陽能電池板的電力輸出和溫度以極大化電力輸出，控制太陽能電池板的角度和方向也非常重要，在可以產生數百萬瓦電力的商業運轉太陽能電廠中，太陽能電池板的安裝區域非常廣大，只有通過光纖絡才能達成可靠的控制和監測絡，請參考圖4和表2。

變電站自動化

變電站的目的是連接太陽能電廠產生的電力到公共電以便將電力傳輸到終端消費者，基于IEC 61850標準的現代化變電站自動化在設計上可以改進整體系統的可靠性，并大幅度減少使用的銅導線數，請參考圖5。

由于變電站中大部分的裝備，如開關柜、變壓器、電路遮斷器等都以中高電壓工作，因此必須加上電氣隔離以保護連接的低電壓裝備，這個設備同時也會由于高開關電壓和電流產生大量的電磁場，為了確保可靠的控制，標準要求通信線路必須具有良好的電磁場抗擾度，在這種情況下，光纖就成為滿足變電站自動化控制和通信線路要求的最好解決方案，請參考表3。

Avago提供有許多基于10/100/1000Mbps以太協議，合適實行IEC 61850標準的產品，圖6為快速以太光纖收發器的典型電路，Avago的HFBR-57E5APZ基于LVPECL的輸入和輸出數據信號可以很容易地連接到目前市場上常見的以太物理層芯片。