介紹

光伏（PV）系統(tǒng)中的電弧檢測是未來太陽能設(shè)計(jì)的一項(xiàng)要求，因?yàn)樵赑V太陽能電池板安裝中可能會(huì)發(fā)生新的危險(xiǎn)，尤其是火災(zāi)。本文介紹了產(chǎn)生電弧檢測的需求，檢測方法的分析以及將電弧檢測集成到PV逆變器設(shè)備和安裝中的可能解決方案。

背景

當(dāng)前，太陽能光伏裝置中使用兩種類型的逆變器：微型逆變器和串式逆變器。微型逆變器從一個(gè)面板轉(zhuǎn)換電能，而串式逆變器則從多個(gè)面板或一串面板轉(zhuǎn)換電能。本文將重點(diǎn)介紹串式逆變器的安裝類型。這些裝置中的電源逆變器系統(tǒng)將面板輸出的直流電轉(zhuǎn)換為交流電，該交流電可直接在家庭中使用，存儲(chǔ)在電池系統(tǒng)中或發(fā)送回電網(wǎng)。在典型的住宅太陽能光伏設(shè)備中，單個(gè)屋頂光伏模塊串聯(lián)連接以形成這些串，這些串又與可處理兩到四個(gè)串的串逆變器連接。此外，

電弧放電是太陽能光伏發(fā)電和其他電流轉(zhuǎn)換應(yīng)用中可能發(fā)生的嚴(yán)重情況，可能導(dǎo)致火災(zāi)。對(duì)潛在電弧情況的檢測和反應(yīng)（系統(tǒng)關(guān)閉）是這些系統(tǒng)所需的關(guān)鍵安全功能。PV逆變器的直流側(cè)和交流側(cè)都會(huì)產(chǎn)生電弧。

例如，斷開電纜的連接可能會(huì)在流過大電流時(shí)引起直流電弧。使這個(gè)問題更加復(fù)雜的是，當(dāng)太陽能電池上發(fā)生輻照時(shí)，PV陣列將連續(xù)提供電流。這可能導(dǎo)致連續(xù)起弧并導(dǎo)致起火。這使得光伏逆變器的直流側(cè)極易受到危險(xiǎn)的影響。盡管有必要斷開逆變器中太陽能電池板的連接，但這只是出于維護(hù)目的，而不是為了正常運(yùn)行。

在應(yīng)用的交流側(cè)，電弧可能會(huì)在零交叉時(shí)自行熄滅，這會(huì)使PV逆變器的交流側(cè)在每50 Hz或60 Hz發(fā)生一次交叉，因此不太容易產(chǎn)生與電弧相關(guān)的風(fēng)險(xiǎn)。市場上還可以買到電弧故障斷路器（AFCI），用于檢測交流電路中的電弧故障。

因此，電弧檢測確實(shí)是太陽能光伏逆變器非常重要的因素。

電弧檢測應(yīng)考慮檢測光伏逆變器中的故障，并僅關(guān)閉逆變器受影響的區(qū)域，以確保設(shè)備安全運(yùn)行，而逆變器的其余部分安全運(yùn)行。此外，還應(yīng)考慮PV逆變器的與電弧相關(guān)的特性，以使其啟動(dòng)或關(guān)閉。

直流電弧檢測-調(diào)查

挪威科技大學(xué)（NTNU）的調(diào)查顯示，30 V的電壓足以啟動(dòng)和維持電弧。他們的測試方法側(cè)重于電壓域以檢測電弧。他們還觀察到電弧燃燒時(shí)，PV模塊兩端的電壓（通常為60 V）下降。電弧兩端的電壓降以及用于測試的電壓降幅為10V。在電壓域中進(jìn)行分析的主要原因是，實(shí)驗(yàn)中使用了低成本的微控制器。否則，他們建議使用功能更強(qiáng)大的DSP分析電流信號(hào)的功率譜密度。

Swissolar于2007年在瑞士舉辦了一個(gè)國際研討會(huì)，名為“光伏直流陣列中的電弧放電-潛在危險(xiǎn)和可能的解決方案”，介紹了一些有關(guān)DC電弧放電對(duì)MPPT跟蹤影響的有趣事實(shí)，并建議這應(yīng)在以下方面發(fā)揮重要作用未來的電弧檢測機(jī)制。

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圖2顯示了具有1 mm，3 mm和6 mm的各種弧隙的所得MPPT，這與預(yù)期的一樣，導(dǎo)致性能大大降低。

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TüV的進(jìn)一步調(diào)查顯示，由于MPPT跟蹤器中的間隙尺寸相同，導(dǎo)致工作點(diǎn)偏差。結(jié)果再次表明MPPT性能大大降低。

針對(duì)直流電弧的建議解決方案是基于電流測量分析的。檢測機(jī)構(gòu)監(jiān)視負(fù)載中的電流和接地電流。負(fù)載中的電流通過一個(gè)濾波器，該濾波器將去除除電弧簽名頻率范圍以外的所有頻率。然后，將其進(jìn)行信號(hào)調(diào)理并通過邏輯以關(guān)閉電弧弧源（PV模塊或PV逆變器）。

電弧檢測模擬

設(shè)定

圖3是符合UL1699B的可能的電弧生成設(shè)置。

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與電弧發(fā)生器和1Ω鎮(zhèn)流電阻器串聯(lián)的PV電力系統(tǒng)構(gòu)成了測試系統(tǒng)設(shè)置的基礎(chǔ)。分析通過系統(tǒng)的電壓和電流以尋找可能的檢測機(jī)制。

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電壓波形分析

首先看一下電弧上的電壓會(huì)顯示一些有趣的信息。在電弧間隙打開的情況下，間隙上的電壓約為71V。隨著間隙的閉合，會(huì)出現(xiàn)一個(gè)小的電弧，并且在圖5的圖中可以看到，間隙上的壓降為20V。當(dāng)間隙保持閉合時(shí)，穩(wěn)定的電流流動(dòng)，并且在電弧上幾乎檢測不到電壓。

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但是，隨著間隙的打開和電弧的持續(xù)放電，可以看到間隙上有20 V（大約）的壓降。該電壓保持不變，并且隨著間隙的增加，其兩端的電壓也會(huì)增加。在某個(gè)時(shí)間點(diǎn)，電弧將停止繼續(xù)，并且間隙上的電壓將返回到其設(shè)置值。

交流性能下的電壓波形的進(jìn)一步分析顯示了更多信息。當(dāng)間隙閉合且沒有電弧時(shí)，電壓波形會(huì)發(fā)生瞬變，如圖6中紅色圓圈所示。

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電弧點(diǎn)燃并持續(xù)時(shí)會(huì)發(fā)生另一個(gè)瞬變。隨著間隙的進(jìn)一步打開，最初高頻分量的幅值似乎較低，但是隨著間隙的增大，其幅度會(huì)增大，直到間隙變得如此之大（100 V / 14 A時(shí)為14毫米），電弧便無法維持并停止。隨著電弧的停止，還會(huì)出現(xiàn)高瞬變現(xiàn)象。

電流信號(hào)分析

查看有關(guān)流經(jīng)系統(tǒng)電流的情況，下面的波形是流經(jīng)系統(tǒng)電流的預(yù)覽。首先，當(dāng)間隙閉合時(shí)，接著間隙打開，最后，當(dāng)間隙太大而使電流無法流動(dòng)且電弧完全停止時(shí)。

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對(duì)流經(jīng)系統(tǒng)的電流的進(jìn)一步分析顯示，當(dāng)存在電弧時(shí)（圖8），系統(tǒng)中存在高頻分量；在沒有電弧的情況下（圖9），不存在這些信號(hào)。

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頻譜分析

電弧光譜的審查在這里也很重要。圖11顯示了系統(tǒng)中存在電弧的頻譜。在系統(tǒng)基本級(jí)別上方可見。在較低的頻率下，該級(jí)別較高且更易于檢測，但是在該較低的級(jí)別上，存在系統(tǒng)切換組件，需要將其過濾掉以檢測電弧簽名。在頻率范圍的較低區(qū)域可能需要更高分辨率的ADC。

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在較高的頻率下，盡管電弧以較低的幅度出現(xiàn)，但是系統(tǒng)的開關(guān)組件也以較低的幅度出現(xiàn)，因此電弧更易于檢測。較低分辨率的ADC在較高的頻率范圍內(nèi)可能就足夠了。

還有一點(diǎn)有價(jià)值的信息是，與產(chǎn)生電弧的電流/電壓無關(guān)，在相同條件下，圖11中的光譜變化很小。這表明電弧是一致的，因此可以在系統(tǒng)中檢測到。

結(jié)論

直流電弧的解決方案必須在以下標(biāo)題下進(jìn)行：

• 在系統(tǒng)中何處可能發(fā)生電弧，在電路中何處需要檢測電弧。這樣可以確保檢測到所有電弧。
• 然后應(yīng)測量電弧強(qiáng)度或幅度。作出決定性的決定是否發(fā)生了電弧是必需的。這也消除了由于外界輻射到相關(guān)系統(tǒng)上而引起的誤觸發(fā)電弧。因此，需要一種過濾機(jī)制來消除對(duì)電弧的錯(cuò)誤檢測。
• 確保考慮到串聯(lián)和并聯(lián)電弧，因?yàn)橥暾麢z測可能需要也可能不需要單獨(dú)的電路。
• 確保電子電路還可以自動(dòng)或手動(dòng)禁用光伏陣列和與電網(wǎng)的連接，以阻止任何未決火災(zāi)的蔓延。
• 本文檔中討論了許多項(xiàng)目，這些項(xiàng)目的摘要如下：
  • 光伏逆變器中的電弧檢測是太陽能光伏逆變器新發(fā)展的要求。
  • 電弧或電弧檢測的分析主要在當(dāng)前領(lǐng)域中進(jìn)行。
  • 所有測試均在直流域中使用符合UL1699B指令的測試夾具進(jìn)行，測試夾具帶有兩個(gè)實(shí)心電極，其中有大電流（7 A至14 A）通過它們。然后將它們分離，直到產(chǎn)生電弧為止，并不斷分離，直到它們相距足夠遠(yuǎn)以至于電弧停止為止。
  • 最大功率點(diǎn)跟蹤（MPPT）可能在電弧檢測中起重要作用，在開發(fā)解決方案時(shí)應(yīng)予以考慮。
  • 可能在較低的頻譜（100 kHz區(qū)域）中分析電弧檢測。產(chǎn)生電弧的一種可能解決方案是使用ADSP-CM40s內(nèi)部ADC在100 kHz頻譜中使用帶通濾波器。
  • AFCI現(xiàn)已在市場上出售，它們專門用于檢測交流電路中的電弧信號(hào)。

PV逆變器中的電弧檢測必須包括一種預(yù)測電弧發(fā)生的方法，該方法可以在持續(xù)電弧發(fā)生之前或持續(xù)電弧壽命的很早之前就關(guān)閉，在該階段可以關(guān)閉電弧源。然后，可以正常關(guān)閉光伏逆變器，以防止發(fā)生火災(zāi)，并在可能的情況下?lián)p壞逆變器。

需要圍繞電弧預(yù)測進(jìn)行更多的調(diào)查和分析。