太陽能中的電弧檢測原因及方法

簡介

由于光伏(PV)太陽能面板設施可能發(fā)生新的危險，尤其是火災，所以未來的太陽能設計要求光伏系統(tǒng)具備電弧檢測能力。本文說明了電弧檢測需求的產(chǎn)生原因，對檢測方法進行分析，并提出了一種可能的解決方案來將電弧檢測集成到光伏逆變器設備和設施中。

背景

當今的太陽能光伏設施使用的逆變器有兩類：微逆變器和組串式逆變器。微逆變器僅轉(zhuǎn)換一個面板產(chǎn)生的電力，而組串式逆變器轉(zhuǎn)換多個面板或一串面板產(chǎn)生的電力。本文重點討論組串式逆變器類型的設施。這些設施中的功率逆變器系統(tǒng)將面板輸出的直流電源轉(zhuǎn)換為交流電流，以便可以直接在家中使用、儲存于電池系統(tǒng)中或送回電網(wǎng)。在典型的住宅太陽能光伏設施中，屋頂?shù)母鱾€光伏模塊串聯(lián)連接，形成光伏串，并進而連接到可以處理兩到四個光伏模塊串的組串式逆變器。此外，針對家庭使用、電池儲能或電網(wǎng)等不同情況，逆變器內(nèi)部的最大功率點跟蹤器(MPPT)優(yōu)化光伏面板與輸出之間的匹配度。

電弧是太陽能光伏和其他電流轉(zhuǎn)換應用中可能發(fā)生的一種危險情況，有引發(fā)火災的風險。對潛在起弧情況的檢測和反應（系統(tǒng)關停）是此類系統(tǒng)必須具備的一項關鍵安全特性。太陽能逆變器的直流側(cè)和交流側(cè)均可能產(chǎn)生電弧。

例如，當電纜中有大電流通過時，斷開這樣的電纜可能引起直流電弧。另外，在太陽能電池發(fā)生輻照的同時，光伏陣列會持續(xù)供應電流，這使問題進一步復雜化，可能引發(fā)連續(xù)起弧，導致火災。因此，光伏逆變器的直流側(cè)非常容易發(fā)生危險。雖然逆變器有斷開太陽能面板連接的要求，但這只是用于維護，而非正常工作。

在應用的交流側(cè)，電弧在過零時可能會自動熄滅，過零事件每50 Hz或60 Hz發(fā)生一次，故而光伏逆變器的交流側(cè)不大容易產(chǎn)生電弧相關的風險。另外，市場上有電弧故障斷路器(AFCI)，用于檢測交流電路中的電弧故障。

因此，電弧檢測對太陽能光伏逆變器確實非常重要。

輸入電壓Vin加到電感兩端，電感激磁并將能量儲存在電感中，電感和輸入電壓斷開后，電感的電流不能突變：L?di/dt=Vin，電感中變化的電流產(chǎn)生感應電壓，感應電壓的方向右正左負，如圖1所示。

直流電弧檢測——研究

挪威科技大學(NTNU)研究顯示，30 V的電壓即足以引起并維持電弧。他們的測試方法聚焦于電壓域以檢測電弧。他們還觀測到，當電弧燃燒時，光伏模塊上的電壓（典型值為60 V）下降。根據(jù)他們的電弧測試，壓降幅度約為10 V。電壓域分析的主要原因是實驗中使用了一個低成本微控制器。若非如此，他們建議使用更強大的DSP對電流信號的功率譜密度進行分析。

2007年，Swissolar在瑞士組織了一次名為“光伏直流陣列中的電弧——潛在危險和可能的解決方案”國際研討會，介紹了關于直流電弧對MPPT跟蹤的影響的一些有意義的情況，并建議未來的電弧檢測機制應重點考慮這些情況。

圖1. 電弧對MPPT的影響（Willi Vaassen，TüV）

圖2顯示了不同電弧間隙（1 mm、3 mm和6 mm）對應的MPPT，同預期一樣，性能降幅非?？捎^。

圖2. 電弧檢測對MPPT工作點的影響（Willi Vaassen，TüV）

TüV的進一步研究顯示了MPPT跟蹤器中相同大小的間隙引起的工作點偏差。結(jié)果再次表明MPPT性能大幅降低。

對于這種直流電弧問題，建議解決方案是基于電流測量分析。檢測機制監(jiān)視負載中的電流和流至地的電流。負載中的電流通過一個濾波器，僅留下電弧特征頻率范圍。然后進行信號調(diào)理，并通過一個邏輯機制來關閉起弧源，即光伏模塊或光伏逆變器。

電弧檢測仿真

設置

圖3是一個可能的電弧產(chǎn)生設置，其符合UL1699B標準。

圖3. 電弧發(fā)生器（照片屬ADI所有，拍攝于利默里克工廠太陽能實驗室）

光伏電源系統(tǒng)與一個電弧發(fā)生器和一個1 Ω的鎮(zhèn)流電阻串聯(lián)，形成測試系統(tǒng)設置的基礎。對通過系統(tǒng)的電壓和電流進行分析，以探索可能的檢測機制。

圖4. 電弧設置

電壓波形分析

首先關注電弧上的電壓，我們可得出一些有意義的信息。電弧間隙打開時，間隙上的電壓約為71 V。間隙閉合時，產(chǎn)生一個小電弧，圖5顯示間隙上的電壓降低20 V。當間隙保持閉合狀態(tài)時，一個穩(wěn)定的電流流過，電弧上幾乎檢測不到電壓。

然而，當間隙打開且電弧持續(xù)發(fā)生時，可以看到間隙上的壓降約為20 V。此電壓保持不變，隨著間隙增大，其上的電壓會提高。在某一時間點，電弧不再繼續(xù)發(fā)生，間隙上的電壓回到設定值。

圖5. 電弧間隙上的電壓波形的直流和交流分量

對電壓波形交流性能的進一步分析可揭示更多信息。當間隙閉合且沒有電弧時，電壓波形上出現(xiàn)瞬變，如圖6中紅圈區(qū)域所示。

圖6. 電弧間隙上電壓的交流分析

當電弧燃起并持續(xù)時，又出現(xiàn)一個瞬變。隨著間隙進一步打開，最初高頻分量的幅度看似較低，但隨著間隙變寬，其幅度也增大，直至間隙過寬（100 V/14 A為14 mm）導致電弧不能維持自身而停止。當電弧停止時，再次出現(xiàn)一個高瞬變。

電流信號分析

現(xiàn)在看看經(jīng)過系統(tǒng)的電流方面的情況，下面的波形是流經(jīng)系統(tǒng)的電流的預覽。最初間隙閉合，然后間隙打開，最后間隙過大導致電流無法流過，電弧完全停止。

圖7. 從電流分析得到的電弧直流和交流分量

對流過系統(tǒng)的電流的進一步分析顯示：當電弧存在時（圖8），系統(tǒng)中存在高頻成分；當電弧不存在時（圖9），這些信號也不存在。

圖8. 無電弧——無高頻成分

圖9. 有電弧——有高頻成分

頻譜分析

對電弧頻譜進行分析也是有意義的。圖11顯示了系統(tǒng)中存在電弧時的頻譜。它在系統(tǒng)的基本電平以上是可見的。頻率較低時，電平較高，更易于檢測，但在這種較低電平時，存在系統(tǒng)開關元件，需要予以濾除以便檢測電弧特征。在頻率范圍的較低區(qū)域可能需要使用較高分辨率的ADC。

圖10. 電弧電流頻譜

頻率較高時，雖然電弧以較低的幅度存在，但系統(tǒng)的開關元件也以較低的幅度存在，因此電弧檢測更容易。在較高頻率區(qū)域，較低分辨率的ADC可能就足夠了。

圖11. 無電弧頻譜

還有一條有價值的信息，那就是在相同條件下，無論產(chǎn)生電弧的電流/電壓為多大，圖11中的頻譜變化極小。這表明電弧具有一致性，因此系統(tǒng)中可以檢測到。

結(jié)語

必須根據(jù)下列要點解決直流電弧問題：

? 對象是可能產(chǎn)生電弧的系統(tǒng)和需要電弧檢測的電路。確保能檢測到所有電弧。

? 然后測量電弧的強度或幅度。這是明確判斷電弧是否產(chǎn)生所必需的，同時還能消除系統(tǒng)受到外部輻照所引起的電弧誤報。因此，必須采用一種濾波機制來消除電弧誤判。

? 確保串聯(lián)和并聯(lián)電弧均得到處理，完整檢測可能需要（也可能不需要）多個獨立電路。

? 確保電子電路也能自動或手動禁用光伏陣列和電網(wǎng)連接，以便阻止火災擴散。

? 本文討論了多項內(nèi)容，總結(jié)如下：

? 光伏逆變器的電弧檢測是對新開發(fā)太陽能光伏逆變器的一項要求。

? 起弧分析或電弧檢測主要是在電流域展開。

? 測試都是在直流域中展開，采用符合UL1699B指令的試驗裝置，它具有兩個固體電極，大電流（7 A至14 A）通過其中。然后將其分開，直至電弧產(chǎn)生；再繼續(xù)分開，直至距離足夠遠，電弧停止。

? 最大功率點跟蹤(MPPT)在電弧檢測中可發(fā)揮重要作用，開發(fā)解決方案時應予以考慮。

? 電弧檢測可以在較低頻譜（100 kHz區(qū)域）中進行分析。一種可能的電弧檢測解決方案是使用100 kHz頻譜的帶通濾波器和ADSP-CM40系列內(nèi)置ADC。

? 目前市場上已有AFCI產(chǎn)品，其專門設計用于檢測交流電路中的電弧特征。

光伏逆變器的電弧檢測必須包含一種預測電弧發(fā)生的方法，以便在持續(xù)電弧發(fā)生之前或持續(xù)電弧的壽命極早階段提供預警，并且能關斷電弧源。然后平穩(wěn)地關斷光伏逆變器，防止火災和逆變器受損（如可能）。

圍繞電弧預測需要做更多研究和分析。