光纤在太阳能系统的应用
白皮书
介紹
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
图1：太阳能发电功能框图。
Alek Indra，安华高科技(Avago Technologies)
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
光纤
光纤
光纤
光纤
光纤
3相线路
滤波器和
变压器
电路
遮断器
市电级
交流电
直流-交流
逆变器
太阳能
电池板
直流
链接
控制和通信
电路板
控制室
2
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)
图2：IGBT栅驱动电路功能框图。
表1：常见于功率半导体器件控制的Avago产品型号
产品型号 产品描述 数据率
有效距离*
POF (1mm) HCS® (200µm)
HFBR-1521ETZ 650nm发射器 DC - 5MBd 20米
HFBR-2521ETZ 650nm接收器
HFBR-1522ETZ 650nm发射器 DC - 1MBd 43米
HFBR-2522ETZ 650nm接收器
HFBR-1528Z 650nm发射器 DC - 10MBd 40米 300米
HFBR-2528Z 650nm接收器
AFBR-1624Z/AFBR-1629Z 650nm发射器 DC -50MBd 50米
AFBR-2624Z/AFBR-2529Z 650nm接收器
* 光链路有效距离由操作数据率决定，较低数据律允许较长的光链路距离。
HCS为OFS注册商标
栅驱动器
驱动器
控制电路板
通用链路(Versatile Link)
HFBR-0500Z系列
通用链路(Versatile Link)
HFBR-0500Z系列
塑料光纤
C
G
IGBT
驱动器逻辑
和
保护功能
E
Rg
3
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
[1, 2]
。
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。
图3：HFBR-1521Z/2521Z的5MBd数据率应用电路图。
表2：控制和监测系统常用的Avago产品型号
产品型号 产品描述 数据率
有效距离*
POF (1mm)
HCS®
(200µm) 62.5um/125um
HFBR-1515BZ 650nm发射器 DC -10MBd 40米 200米
HFBR-2515BZ 650nm接收器
HFBR-1505CZ 650nm发射器 DC - 10MBd 50米 400米
HFBR-2505CZ 650nm接收器
HFBR-1414Z 820nm发射器 DC - 5MBd 1500米 2000米
HFBR-2412Z 820nm接收器
HFBR-1414Z 820nm发射器 DC - 20MBd 2700米
HFBR-2416Z 820nm接收器
HFBR-1414Z 820nm发射器 DC - 160MBd 500米
HFBR-2416Z 820nm接收器
* 光链路有效距离由操作数据率控制，较低数据律允许较长的光链路距离。
HCS为OFS注册商标
4.7 µF
0.1 µF
R1
R1
Vcc
V
CC
-V
F
I
F
I
F
1
8
8
5
5
2
3
4
数据
+
1
2
3
4
+5 V
数据
4
图4：使用光纤的太阳能电厂控制和监测系统。
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
[3, 4]
，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。
图5：基于IEC 61850的变电站自动化。
Control
Room
控制室
Control
Room
间隔控制器
串行通信
光纤
控制中心
路由器
HMI 控制器
光纤
继电器
X1
Control
Room
智能开关柜
CT/VT
Control
Room
智能开关柜
CT/VT
继电器
X2
Control
Room
间隔控制器
继电器
X1
继电器
X2
串行通信
5
表3：变电站自动化常用的Avago产品型号
产品型号 产品描述 数据率
有效距离*
POF (1mm)
HCS®
(200µm) 62.5um/125um
AFBR-1624Z/AFBR-1629Z 650nm发射器 DC - 50MBd 50米
-
AFBR-2624Z/AFBR-2529Z 650nm接收器
-
AFBR-5978Z 650nm发射器 125MBd 50米 100米
-
AFBR-5972Z 650nm发射器 125MBd 50米
HFBR-14X4Z 820nm发射器 160MBd
- -
500米
HFBR-24X6Z 820nm接收器
HFBR-1312TZ 1300nm发射器 160MBd
- -
2公里
HFBR-2316TZ 1300nm接收器
HFBR-57E5APZ 1300nm发射器 125/155MBd 2公里
* 光链路有效距离由操作数据率决定控制，较低数据律允许较长的光链路距离。
HCS为OFS注册商标
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。
图6：Avago的HFBR-57E5APZ快速以太网光收发器驱动电路。
Tx Dis
PROTOCOL
IC
Rx_LOS
SDA
SCL
MODULE
DETECT
SerDes
SO+
SO–
SI+
SI–
MOD_DEF1
MOD_DEF2
MOD_DEF0
3.3 V
4.7k to
10kΩ
4.7k to
10kΩ
4.7k to
10kΩ
RX_GND
3.3 V
0.1µF
50
50
CONTROLLER
AMPLIFIER
&
QUANTIZATION
LED DRIVER
&
SAFETY
CIRCUITRY
10kΩ
HFBR-57E5APZ
VccR
RX_LOS
RD–
RD+
1µH
1µH
0.1µF
VccT
0.1µF
10µF
3.3 V
TD–
TD+
50
50
TX_GND
150Ω
0.1µF
0.1µF
0.1µF
10µF
0.1µF
4.7kΩ to
10kΩ
100Ω
130Ω
83Ω
83Ω
130Ω
3.3V
有关产品信息和完整分销商列表请访问我们的网站：www.avagotech.cn。
Avago、Avago Technologies和A徽标是Avago Technologies在美国和其他国家商标。
数据可能会有更改。 © 2005-2012 Avago Technologies。保留所有权利。
AV02-1812SC - 2012 年 7 月 26 日
参考文献
1. Armstrong, S.; Hurley, W.G. “太阳能系统极大化电
力点跟踪效率研究(Investigating the Eectiveness of
Maximum Power Point Tracking for a Solar System)” IEEE,
Power Electronics Specialists Conference, 2005.
2. Piao, Z.G.; Park, J.M; Kim, J.H.; Cho, G.B.; Baek, H.L.;
“通过编程形式进行光伏系统跟踪研究(A Study on
the Tracking Photovoltaic System by Program Type)”
Electrical Machines and Systems, 2005. ICEMS 2005.
Proceedings of the Eighth International Conference on
Vol 2, Pages: 971 – 973, Sept 2005
3. L. Andersson, Ch. Brunner and F. Engler, “基于IEC
61850新程序闭环技术的变电站自动化(Substation
Automation based on IEC 61850 with New Process Close
Technologies)” IEEE Powertech Bologna, June 2003.
4. Ch. Brunner, “IEC 61850 程序连接：连接主要设备
到变电站自动化系统的智能方案(IEC 61850 Process
Connection—A Smart Solution to Connect the Primary
Equipment to the Substation Automation System)” ABB
Switzerland, Zurich, Switzerland.
其他资源
IEC 61850标准
http://www.iec.ch/
-
1
-
2
-
3
-
4
-
5
-
6
関連論文
-
Broadcom ソーラーエネルギー・アプリケーション向け光ファイバ 仕様
-
-
-
-
-
-
-
-
-