太阳能中的电弧检测原因及方法

简介

由于光伏(PV)太阳能面板设施可能发生新的危险，尤其是火灾，所以未来的太阳能设计要求光伏系统具备电弧检测能力。本文说明了电弧检测需求的产生原因，对检测方法进行分析，并提出了一种可能的解决方案来将电弧检测集成到光伏逆变器设备和设施中。

背景

当今的太阳能光伏设施使用的逆变器有两类：微逆变器和组串式逆变器。微逆变器仅转换一个面板产生的电力，而组串式逆变器转换多个面板或一串面板产生的电力。本文重点讨论组串式逆变器类型的设施。这些设施中的功率逆变器系统将面板输出的直流电源转换为交流电流，以便可以直接在家中使用、储存于电池系统中或送回电网。在典型的住宅太阳能光伏设施中，屋顶的各个光伏模块串联连接，形成光伏串，并进而连接到可以处理两到四个光伏模块串的组串式逆变器。此外，针对家庭使用、电池储能或电网等不同情况，逆变器内部的最大功率点跟踪器(MPPT)优化光伏面板与输出之间的匹配度。

电弧是太阳能光伏和其他电流转换应用中可能发生的一种危险情况，有引发火灾的风险。对潜在起弧情况的检测和反应（系统关停）是此类系统必须具备的一项关键安全特性。太阳能逆变器的直流侧和交流侧均可能产生电弧。

例如，当电缆中有大电流通过时，断开这样的电缆可能引起直流电弧。另外，在太阳能电池发生辐照的同时，光伏阵列会持续供应电流，这使问题进一步复杂化，可能引发连续起弧，导致火灾。因此，光伏逆变器的直流侧非常容易发生危险。虽然逆变器有断开太阳能面板连接的要求，但这只是用于维护，而非正常工作。

在应用的交流侧，电弧在过零时可能会自动熄灭，过零事件每50 Hz或60 Hz发生一次，故而光伏逆变器的交流侧不大容易产生电弧相关的风险。另外，市场上有电弧故障断路器(AFCI)，用于检测交流电路中的电弧故障。

因此，电弧检测对太阳能光伏逆变器确实非常重要。

输入电压Vin加到电感两端，电感激磁并将能量储存在电感中，电感和输入电压断开后，电感的电流不能突变：L•di/dt=Vin，电感中变化的电流产生感应电压，感应电压的方向右正左负，如图1所示。

直流电弧检测——研究

挪威科技大学(NTNU)研究显示，30 V的电压即足以引起并维持电弧。他们的测试方法聚焦于电压域以检测电弧。他们还观测到，当电弧燃烧时，光伏模块上的电压（典型值为60 V）下降。根据他们的电弧测试，压降幅度约为10 V。电压域分析的主要原因是实验中使用了一个低成本微控制器。若非如此，他们建议使用更强大的DSP对电流信号的功率谱密度进行分析。

2007年，Swissolar在瑞士组织了一次名为“光伏直流阵列中的电弧——潜在危险和可能的解决方案”国际研讨会，介绍了关于直流电弧对MPPT跟踪的影响的一些有意义的情况，并建议未来的电弧检测机制应重点考虑这些情况。

图1. 电弧对MPPT的影响（Willi Vaassen，TÜV）

图2显示了不同电弧间隙（1 mm、3 mm和6 mm）对应的MPPT，同预期一样，性能降幅非常可观。

图2. 电弧检测对MPPT工作点的影响（Willi Vaassen，TÜV）

TÜV的进一步研究显示了MPPT跟踪器中相同大小的间隙引起的工作点偏差。结果再次表明MPPT性能大幅降低。

对于这种直流电弧问题，建议解决方案是基于电流测量分析。检测机制监视负载中的电流和流至地的电流。负载中的电流通过一个滤波器，仅留下电弧特征频率范围。然后进行信号调理，并通过一个逻辑机制来关闭起弧源，即光伏模块或光伏逆变器。

电弧检测仿真

设置

图3是一个可能的电弧产生设置，其符合UL1699B标准。

图3. 电弧发生器（照片属ADI所有，拍摄于利默里克工厂太阳能实验室）

光伏电源系统与一个电弧发生器和一个1 Ω的镇流电阻串联，形成测试系统设置的基础。对通过系统的电压和电流进行分析，以探索可能的检测机制。

图4. 电弧设置

电压波形分析

首先关注电弧上的电压，我们可得出一些有意义的信息。电弧间隙打开时，间隙上的电压约为71 V。间隙闭合时，产生一个小电弧，图5显示间隙上的电压降低20 V。当间隙保持闭合状态时，一个稳定的电流流过，电弧上几乎检测不到电压。

然而，当间隙打开且电弧持续发生时，可以看到间隙上的压降约为20 V。此电压保持不变，随着间隙增大，其上的电压会提高。在某一时间点，电弧不再继续发生，间隙上的电压回到设定值。

图5. 电弧间隙上的电压波形的直流和交流分量

对电压波形交流性能的进一步分析可揭示更多信息。当间隙闭合且没有电弧时，电压波形上出现瞬变，如图6中红圈区域所示。

图6. 电弧间隙上电压的交流分析

当电弧燃起并持续时，又出现一个瞬变。随着间隙进一步打开，最初高频分量的幅度看似较低，但随着间隙变宽，其幅度也增大，直至间隙过宽（100 V/14 A为14 mm）导致电弧不能维持自身而停止。当电弧停止时，再次出现一个高瞬变。

电流信号分析

现在看看经过系统的电流方面的情况，下面的波形是流经系统的电流的预览。最初间隙闭合，然后间隙打开，最后间隙过大导致电流无法流过，电弧完全停止。

图7. 从电流分析得到的电弧直流和交流分量

对流过系统的电流的进一步分析显示：当电弧存在时（图8），系统中存在高频成分；当电弧不存在时（图9），这些信号也不存在。

图8. 无电弧——无高频成分

图9. 有电弧——有高频成分

频谱分析

对电弧频谱进行分析也是有意义的。图11显示了系统中存在电弧时的频谱。它在系统的基本电平以上是可见的。频率较低时，电平较高，更易于检测，但在这种较低电平时，存在系统开关元件，需要予以滤除以便检测电弧特征。在频率范围的较低区域可能需要使用较高分辨率的ADC。

图10. 电弧电流频谱

频率较高时，虽然电弧以较低的幅度存在，但系统的开关元件也以较低的幅度存在，因此电弧检测更容易。在较高频率区域，较低分辨率的ADC可能就足够了。

图11. 无电弧频谱

还有一条有价值的信息，那就是在相同条件下，无论产生电弧的电流/电压为多大，图11中的频谱变化极小。这表明电弧具有一致性，因此系统中可以检测到。

结语

必须根据下列要点解决直流电弧问题：

 对象是可能产生电弧的系统和需要电弧检测的电路。确保能检测到所有电弧。

 然后测量电弧的强度或幅度。这是明确判断电弧是否产生所必需的，同时还能消除系统受到外部辐照所引起的电弧误报。因此，必须采用一种滤波机制来消除电弧误判。

 确保串联和并联电弧均得到处理，完整检测可能需要（也可能不需要）多个独立电路。

 确保电子电路也能自动或手动禁用光伏阵列和电网连接，以便阻止火灾扩散。

 本文讨论了多项内容，总结如下：

• 光伏逆变器的电弧检测是对新开发太阳能光伏逆变器的一项要求。

• 起弧分析或电弧检测主要是在电流域展开。

• 测试都是在直流域中展开，采用符合UL1699B指令的试验装置，它具有两个固体电极，大电流（7 A至14 A）通过其中。然后将其分开，直至电弧产生；再继续分开，直至距离足够远，电弧停止。

• 最大功率点跟踪(MPPT)在电弧检测中可发挥重要作用，开发解决方案时应予以考虑。

• 电弧检测可以在较低频谱（100 kHz区域）中进行分析。一种可能的电弧检测解决方案是使用100 kHz频谱的带通滤波器和ADSP-CM40系列内置ADC。

• 目前市场上已有AFCI产品，其专门设计用于检测交流电路中的电弧特征。

光伏逆变器的电弧检测必须包含一种预测电弧发生的方法，以便在持续电弧发生之前或持续电弧的寿命极早阶段提供预警，并且能关断电弧源。然后平稳地关断光伏逆变器，防止火灾和逆变器受损（如可能）。

围绕电弧预测需要做更多研究和分析。