太阳能应用中的电弧检测分析

介绍

光伏（PV）系统中的电弧检测是未来太阳能设计的一项要求，因为在PV太阳能电池板安装中可能会发生新的危险，尤其是火灾。本文介绍了产生电弧检测的需求，检测方法的分析以及将电弧检测集成到PV逆变器设备和安装中的可能解决方案。

背景

当前，太阳能光伏装置中使用两种类型的逆变器：微型逆变器和串式逆变器。微型逆变器从一个面板转换电能，而串式逆变器则从多个面板或一串面板转换电能。本文将重点介绍串式逆变器的安装类型。这些装置中的电源逆变器系统将面板输出的直流电转换为交流电，该交流电可直接在家庭中使用，存储在电池系统中或发送回电网。在典型的住宅太阳能光伏设备中，单个屋顶光伏模块串联连接以形成这些串，这些串又与可处理两到四个串的串逆变器连接。此外，

电弧放电是太阳能光伏发电和其他电流转换应用中可能发生的严重情况，可能导致火灾。对潜在电弧情况的检测和反应（系统关闭）是这些系统所需的关键安全功能。PV逆变器的直流侧和交流侧都会产生电弧。

例如，断开电缆的连接可能会在流过大电流时引起直流电弧。使这个问题更加复杂的是，当太阳能电池上发生辐照时，PV阵列将连续提供电流。这可能导致连续起弧并导致起火。这使得光伏逆变器的直流侧极易受到危险的影响。尽管有必要断开逆变器中太阳能电池板的连接，但这只是出于维护目的，而不是为了正常运行。

在应用的交流侧，电弧可能会在零交叉时自行熄灭，这会使PV逆变器的交流侧在每50 Hz或60 Hz发生一次交叉，因此不太容易产生与电弧相关的风险。市场上还可以买到电弧故障断路器（AFCI），用于检测交流电路中的电弧故障。

因此，电弧检测确实是太阳能光伏逆变器非常重要的因素。

电弧检测应考虑检测光伏逆变器中的故障，并仅关闭逆变器受影响的区域，以确保设备安全运行，而逆变器的其余部分安全运行。此外，还应考虑PV逆变器的与电弧相关的特性，以使其启动或关闭。

直流电弧检测-调查

挪威科技大学（NTNU）的调查显示，30 V的电压足以启动和维持电弧。他们的测试方法侧重于电压域以检测电弧。他们还观察到电弧燃烧时，PV模块两端的电压（通常为60 V）下降。电弧两端的电压降以及用于测试的电压降幅为10V。在电压域中进行分析的主要原因是，实验中使用了低成本的微控制器。否则，他们建议使用功能更强大的DSP分析电流信号的功率谱密度。

Swissolar于2007年在瑞士举办了一个国际研讨会，名为“光伏直流阵列中的电弧放电-潜在危险和可能的解决方案”，介绍了一些有关DC电弧放电对MPPT跟踪影响的有趣事实，并建议这应在以下方面发挥重要作用未来的电弧检测机制。

 

 

 

图1.电弧放电对MPPT的影响（Willi Vaassen，TÜV）。

图2显示了具有1 mm，3 mm和6 mm的各种弧隙的所得MPPT，这与预期的一样，导致性能大大降低。

 

 

 

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

TÜV的进一步调查显示，由于MPPT跟踪器中的间隙尺寸相同，导致工作点偏差。结果再次表明MPPT性能大大降低。

针对直流电弧的建议解决方案是基于电流测量分析的。检测机构监视负载中的电流和接地电流。负载中的电流通过一个滤波器，该滤波器将去除除电弧签名频率范围以外的所有频率。然后，将其进行信号调理并通过逻辑以关闭电弧弧源（PV模块或PV逆变器）。

电弧检测模拟

设定

图3是符合UL1699B的可能的电弧生成设置。

 

 

 

图3.电弧发生器。（ADI的照片财产，在利默里克工厂的Solar Lab中拍摄。）

与电弧发生器和1Ω镇流电阻器串联的PV电力系统构成了测试系统设置的基础。分析通过系统的电压和电流以寻找可能的检测机制。

 

 

 

图4.电弧设置。

电压波形分析

首先看一下电弧上的电压会显示一些有趣的信息。在电弧间隙打开的情况下，间隙上的电压约为71V。随着间隙的闭合，会出现一个小的电弧，并且在图5的图中可以看到，间隙上的压降为20V。当间隙保持闭合时，稳定的电流流动，并且在电弧上几乎检测不到电压。

 

 

 

图5.跨电弧间隙的电压波形的直流和交流分量。

但是，随着间隙的打开和电弧的持续放电，可以看到间隙上有20 V（大约）的压降。该电压保持不变，并且随着间隙的增加，其两端的电压也会增加。在某个时间点，电弧将停止继续，并且间隙上的电压将返回到其设置值。

交流性能下的电压波形的进一步分析显示了更多信息。当间隙闭合且没有电弧时，电压波形会发生瞬变，如图6中红色圆圈所示。

 

 

 

图6.跨电弧间隙的交流电压分析。

电弧点燃并持续时会发生另一个瞬变。随着间隙的进一步打开，最初高频分量的幅值似乎较低，但是随着间隙的增大，其幅度会增大，直到间隙变得如此之大（100 V / 14 A时为14毫米），电弧便无法维持并停止。随着电弧的停止，还会出现高瞬变现象。

电流信号分析

查看有关流经系统电流的情况，下面的波形是流经系统电流的预览。首先，当间隙闭合时，接着间隙打开，最后，当间隙太大而使电流无法流动且电弧完全停止时。

 

 

 

图7.电流分析得出的ARC的直流和交流分量。

对流经系统的电流的进一步分析显示，当存在电弧时（图8），系统中存在高频分量；在没有电弧的情况下（图9），不存在这些信号。

 

 

 

图8.无电弧—无高频成分。

 

 

 

图9.电弧放电-存在高频成分。

频谱分析

电弧光谱的审查在这里也很重要。图11显示了系统中存在电弧的频谱。在系统基本级别上方可见。在较低的频率下，该级别较高且更易于检测，但是在该较低的级别上，存在系统切换组件，需要将其过滤掉以检测电弧签名。在频率范围的较低区域可能需要更高分辨率的ADC。

 

 

 

图10.电弧电流频谱。

 

 

 

图11.无电弧光谱。

在较高的频率下，尽管电弧以较低的幅度出现，但是系统的开关组件也以较低的幅度出现，因此电弧更易于检测。较低分辨率的ADC在较高的频率范围内可能就足够了。

还有一点有价值的信息是，与产生电弧的电流/电压无关，在相同条件下，图11中的光谱变化很小。这表明电弧是一致的，因此可以在系统中检测到。

结论

直流电弧的解决方案必须在以下标题下进行：

• 在系统中何处可能发生电弧，在电路中何处需要检测电弧。这样可以确保检测到所有电弧。
• 然后应测量电弧强度或幅度。作出决定性的决定是否发生了电弧是必需的。这也消除了由于外界辐射到相关系统上而引起的误触发电弧。因此，需要一种过滤机制来消除对电弧的错误检测。
• 确保考虑到串联和并联电弧，因为完整检测可能需要也可能不需要单独的电路。
• 确保电子电路还可以自动或手动禁用光伏阵列和与电网的连接，以阻止任何未决火灾的蔓延。
• 本文档中讨论了许多项目，这些项目的摘要如下：
  • 光伏逆变器中的电弧检测是太阳能光伏逆变器新发展的要求。
  • 电弧或电弧检测的分析主要在当前领域中进行。
  • 所有测试均在直流域中使用符合UL1699B指令的测试夹具进行，测试夹具带有两个实心电极，其中有大电流（7 A至14 A）通过它们。然后将它们分离，直到产生电弧为止，并不断分离，直到它们相距足够远以至于电弧停止为止。
  • 最大功率点跟踪（MPPT）可能在电弧检测中起重要作用，在开发解决方案时应予以考虑。
  • 可能在较低的频谱（100 kHz区域）中分析电弧检测。产生电弧的一种可能解决方案是使用ADSP-CM40s内部ADC在100 kHz频谱中使用带通滤波器。
  • AFCI现已在市场上出售，它们专门用于检测交流电路中的电弧信号。

PV逆变器中的电弧检测必须包括一种预测电弧发生的方法，该方法可以在持续电弧发生之前或持续电弧寿命的很早之前就关闭，在该阶段可以关闭电弧源。然后，可以正常关闭光伏逆变器，以防止发生火灾，并在可能的情况下损坏逆变器。

需要围绕电弧预测进行更多的调查和分析。