太陽能光伏系統(tǒng)設(shè)計中電弧檢測分析及解決方案

簡介

光伏（PV）系統(tǒng)中的電弧檢測是未來太陽能設(shè)計的一項要求，因為新的危險，特別是火災(zāi)，這可能發(fā)生在光伏太陽能電池板安裝中。本文介紹了產(chǎn)生電弧檢測需求的因素，檢測方法的分析以及在光伏逆變器設(shè)備和裝置中集成電弧檢測的可能解決方案。

背景

目前用于太陽能光伏裝置的兩種類型的逆變器 - 微型逆變器和串式逆變器。微型逆變器從一個面板轉(zhuǎn)換電力，而串式逆變器從多個面板或一串面板轉(zhuǎn)換電力。本文將重點介紹串式逆變器的安裝方式。這些裝置中的功率逆變器系統(tǒng)將面板的直流功率輸出轉(zhuǎn)換為交流電流，該電流可直接用于家庭，存儲在電池系統(tǒng)中或發(fā)送回電網(wǎng)。在典型的住宅太陽能PV裝置中，各個屋頂PV模塊串聯(lián)連接以形成這些串，這些串又連接到可以處理兩到四個串之間的串逆變器。此外，逆變器內(nèi)部的最大功率點跟蹤器（MPPT）可優(yōu)化PV面板與輸出之間的匹配，無論是家用，電池存儲還是公用電網(wǎng)。

電弧是一種嚴重的情況這可能發(fā)生在太陽能光伏和其他可能導(dǎo)致火災(zāi)的電流轉(zhuǎn)換應(yīng)用中。對潛在電弧放電情況的檢測和反應(yīng)（系統(tǒng)關(guān)閉）是這些系統(tǒng)所需的關(guān)鍵安全特性。光伏發(fā)電機可能出現(xiàn)在光伏逆變器的直流側(cè)和交流側(cè)。

例如，斷開電纜可能會在高電流流過時產(chǎn)生直流電弧。使這個問題更加復(fù)雜的是，PV陣列將在太陽能電池上發(fā)生輻照時連續(xù)供應(yīng)電流。這可能導(dǎo)致持續(xù)的電弧放電并導(dǎo)致火災(zāi)。這使得PV逆變器的直流側(cè)極易受到危險。雖然要求斷開逆變器中的太陽能電池板，但這只是為了維護而不是正常運行。

在應(yīng)用的交流側(cè)，電弧可能在零交叉時自行熄滅，這使得PV逆變器的交流側(cè)不太容易受到與電弧放電相關(guān)的風險，因為其交叉每50Hz或60Hz發(fā)生一次。市場上還有電弧故障斷路器（AFCI），用于檢測交流電路中的電弧故障。

因此，電弧檢測確實是太陽能光伏逆變器的一個非常重要的因素。

電弧檢測應(yīng)考慮檢測光伏逆變器中的故障并僅關(guān)閉逆變器的受影響區(qū)域以確保安全運行設(shè)備的其余部分安全運行。此外，還應(yīng)考慮光伏逆變器的啟動或關(guān)閉操作，關(guān)于其與電弧放電相關(guān)的特性。

直流電弧檢測 - 調(diào)查

挪威科技大學（NTNU）的調(diào)查顯示，30 V的電壓足以啟動和維持電弧。他們的測試方法專注于電壓域以檢測電弧。他們還發(fā)現(xiàn)，當電弧燃燒時，PV模塊上的電壓（通常為60 V）會下降。電弧上的電壓下降及其測試的幅度為10 V.在電壓域中進行分析的主要原因是在實驗中使用了低成本的微控制器。否則，他們建議使用功能更強大的DSP分析當前信號的功率譜密度。

2007年在瑞士舉辦的國際研討會由Swissolar組織，名為光伏直流陣列電弧 - 潛在的危險和可能的解決方案，提出了關(guān)于直流電弧對MPPT跟蹤的影響的一些有趣的事實，并建議這應(yīng)該在未來的電弧檢測機制中發(fā)揮重要作用。

圖2顯示了所產(chǎn)生的MPPT，其具有1 mm，3 mm和6 mm的各種弧隙，導(dǎo)致性能大幅降低，如預(yù)期的那樣。

TüV的進一步調(diào)查顯示，由于MPPT跟蹤器中的間隙尺寸相同，工作點偏差。結(jié)果再次表明MPPT性能大大降低。

建議的直流電弧問題解決方案基于電流測量分析。檢測機制監(jiān)控負載中的電流和接地電流。負載中的電流通過濾波器，除去電弧特征頻率范圍以外的所有濾波器。然后對其進行信號調(diào)節(jié)并通過邏輯關(guān)閉電弧放電源，PV模塊或PV逆變器。

電弧檢測模擬

設(shè)置

< p>圖3是電弧生成的可能設(shè)置，符合UL1699B。

光伏發(fā)電系統(tǒng)與電弧發(fā)生器和1Ω鎮(zhèn)流電阻串聯(lián)，構(gòu)成了測試系統(tǒng)設(shè)置。分析通過系統(tǒng)的電壓和電流的可能檢測機制。

電壓波形分析

首先看一下電弧上的電壓顯示一些有趣的信息。當弧隙打開時，間隙上的電壓約為71V。當間隙閉合時，會出現(xiàn)一個小弧，并且可以在圖5中的圖中看到跨越間隙的20 V壓降。當間隙保持閉合時，穩(wěn)定的電流流過，并且在電弧上檢測到的電壓很小。

然而，當間隙打開并且電弧以持續(xù)的方式開始時，可以看到跨越間隙的20V（大約）下降。該電壓保持不變，隨著間隙增加，其上的電壓增加。在某個時間點，電弧將停止繼續(xù)，間隙上的電壓將恢復(fù)到其設(shè)定值。

進一步分析交流性能下的電壓波形會顯示更多信息。當間隙閉合且沒有電弧時，電壓波形會發(fā)生瞬變，如圖6中紅色圓圈區(qū)域所示。

當電弧點燃并持續(xù)時，會出現(xiàn)另一個瞬態(tài)本身。隨著間隙進一步打開，最初高頻分量處于看似低的幅度，但隨著間隙變寬，它們的幅度增加，直到間隙如此寬（對于100 V / 14 A為14 mm），電弧無法自行維持并停止。電弧停止時也會出現(xiàn)高瞬態(tài)。

電流信號分析

觀察通過系統(tǒng)的電流情況，下面的波形是預(yù)覽電流流過系統(tǒng)。首先，當間隙閉合時，然后當間隙打開時，最后當間隙太大而電流不能流動時，電弧完全停止。

進一步分析電流流動通過系統(tǒng)顯示存在電弧時系統(tǒng)中存在的高頻成分（圖8），并且沒有電弧時沒有這些信號（圖9）。

頻譜分析

此處對電弧頻譜的回顧也很重要。圖11顯示了系統(tǒng)中存在電弧的光譜。它在系統(tǒng)的基礎(chǔ)級別上方可見。在較低頻率下，電平更高并且更容易檢測，但是在該較低級別，存在系統(tǒng)切換組件并且需要將其濾除以檢測電弧特征。在頻率范圍的較低區(qū)域可能需要更高分辨率的ADC。

在較高頻率下，盡管電弧存在較低的幅度，但開關(guān)元件的頻率較低。系統(tǒng)也以較低的幅度存在，因此可以更容易地檢測電弧。較低分辨率的ADC可能在較高頻率范圍內(nèi)就足夠了。

另一條有價值的信息是圖11中的頻譜在相同條件下變化很小，而與產(chǎn)生電弧的電流/電壓無關(guān)。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題下進行：

在系統(tǒng)中，電弧可能發(fā)生，電路中的哪個位置需要電弧檢測。這樣可以確保檢測到所有電弧。

然后應(yīng)測量電弧的強度或幅度。這需要做出決定發(fā)生電弧的決定性因素。這還消除了由于外部發(fā)射到所討論的系統(tǒng)上而引起的電弧錯誤觸發(fā)。因此，需要使用濾波器機制來消除對弧的錯誤檢測。

確?？紤]串聯(lián)和并聯(lián)電弧，因為完整檢測可能需要也可能不需要單獨的電路。

確保電子電路還可以自動或手動禁用光伏陣列和連接到電網(wǎng)，以阻止未決火災(zāi)蔓延。

本文件中討論過許多項目，總結(jié)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)展的必要條件。

電弧或電弧檢測分析

測試全部在直流域中進行，使用與UL1699B指令對齊的測試夾具和兩個固體電極，其中高電流（7 A至14 A）通過通過他們。然后將它們分開，直到電弧出現(xiàn)并連續(xù)分開，直到它們足夠遠以使電弧停止。

最大功率點跟蹤（MPPT）可能在電弧檢測中起重要作用，應(yīng)在開發(fā)中考慮解決方案。

可能會在較低頻譜（100 kHz區(qū)域）內(nèi)分析電弧檢測。電弧放電的一種可能解決方案是使用ADSP-CM40s內(nèi)部ADC的100 kHz頻譜帶通濾波器。

AFCI現(xiàn)已上市，專門用于檢測交流電路中的電弧特征。

光伏逆變器中的電弧檢測必須包括一種預(yù)測電弧放電發(fā)生的方法，可以在持續(xù)電弧發(fā)生之前或在持續(xù)電弧壽命期間非常早期，可以關(guān)閉電弧源。然后可以優(yōu)雅地關(guān)閉光伏逆變器，防止火災(zāi)，并在可能的情況下?lián)p壞逆變器。