光伏(PV)系統(tǒng)中的電弧檢測是未來太陽能設(shè)計(jì)的要求,因?yàn)楣夥柲茈姵匕灏惭b中可能發(fā)生新的危險(xiǎn),尤其是火災(zāi)。本文介紹了對(duì)電弧檢測的需求、檢測方法的分析以及將電弧檢測集成到光伏逆變器設(shè)備和裝置中的可能解決方案。
背景
目前太陽能光伏裝置中使用的逆變器有兩種類型——微型逆變器和組串式逆變器。微型逆變器從一個(gè)面板轉(zhuǎn)換電力,而組串逆變器轉(zhuǎn)換來自多個(gè)面板或一串面板的電力。本文將重點(diǎn)介紹組串式逆變器的安裝方式。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)換為交流電流,該交流電流可以直接在家中使用,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裝置中,單個(gè)屋頂光伏組件串聯(lián)連接以形成這些串,而這些串又連接到可以處理兩到四個(gè)串的組串逆變器。此外,逆變器內(nèi)部的最大功率點(diǎn)跟蹤器(MPPT)優(yōu)化了光伏電池板和輸出之間的匹配,無論是家庭使用、電池存儲(chǔ)還是公用電網(wǎng)。
電弧是一種嚴(yán)重的疾病,可能發(fā)生在太陽能光伏和其他電流轉(zhuǎn)換應(yīng)用中,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。電弧可能發(fā)生在光伏逆變器的直流和交流側(cè)。
例如,當(dāng)高電流流動(dòng)時(shí),電纜斷開可能會(huì)導(dǎo)致直流電弧。使這個(gè)問題更加復(fù)雜的是,當(dāng)太陽能電池上發(fā)生輻照度時(shí),光伏陣列將連續(xù)提供電流。這可能導(dǎo)致連續(xù)電弧并導(dǎo)致火災(zāi)。這使得光伏逆變器的直流側(cè)極易受到危險(xiǎn)的影響。盡管需要斷開逆變器中的太陽能電池板,但這僅用于維護(hù),而不是正常運(yùn)行。
在應(yīng)用的交流側(cè),電弧可能會(huì)在零交越時(shí)自行熄滅,這使得光伏逆變器的交流側(cè)不太容易受到與電弧相關(guān)的風(fēng)險(xiǎn)的影響,因?yàn)樗慕辉矫?0 Hz或60 Hz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(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)閉逆變器的受影響區(qū)域,以確保設(shè)備的安全運(yùn)行,而逆變器的其余部分則安全運(yùn)行。此外,還應(yīng)考慮光伏逆變器的啟動(dòng)或關(guān)閉操作,就其與電弧相關(guān)的特性而言。
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。他們的測試方法集中在電壓域上以檢測電弧。他們還觀察到,當(dāng)電弧燃燒時(shí),光伏模塊上的電壓(通常為60 V)下降。電弧和測試兩端的電壓下降幅度為10 V。在電壓域進(jìn)行分析的主要原因是在實(shí)驗(yàn)中使用了低成本微控制器。否則,他們建議使用更強(qiáng)大的DSP分析電流信號(hào)的功率譜密度。
2007年,Swissolar在瑞士舉辦了題為“光伏直流陣列中的電弧——潛在危險(xiǎn)和可能的解決方案”的國際研討會(huì),介紹了直流電弧對(duì)MPPT跟蹤影響的一些有趣事實(shí),并建議這應(yīng)該在未來的電弧檢測機(jī)制中發(fā)揮重要作用。
圖1.電弧對(duì)MPPT的影響(Willi Vaassen,TüV)。
圖2顯示了產(chǎn)生的MPPT,具有1 mm、3 mm和6 mm的各種電弧間隙,導(dǎo)致性能大幅下降,正如預(yù)期的那樣。
圖2.電弧檢測對(duì)MPPT工作點(diǎn)的影響(Willi Vaassen,TüV)。
TüV的進(jìn)一步調(diào)查顯示了由于MPPT跟蹤器中相同間隙大小而導(dǎo)致的工作點(diǎn)偏差。結(jié)果再次顯示MPPT性能大大降低。
針對(duì)擬議的直流電弧問題,建議的解決方案基于電流測量分析。檢測機(jī)制監(jiān)控負(fù)載中的電流和接地電流。負(fù)載中的電流通過濾波器,該濾波器消除了除電弧特征頻率范圍之外的所有頻率范圍。然后進(jìn)行信號(hào)調(diào)理并通過邏輯來關(guān)閉電弧源,即光伏模塊或光伏逆變器。
電弧檢測模擬
設(shè)置
圖3是電弧產(chǎn)生的可能設(shè)置,符合UL1699B標(biāo)準(zhǔn)。
圖3.電弧發(fā)生器。(ADI公司的照片來源,拍攝于利默里克工廠的太陽能實(shí)驗(yàn)室。
光伏電源系統(tǒng)與電弧發(fā)生器和 1 Ω 鎮(zhèn)流電阻串聯(lián),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,以了解可能的檢測機(jī)制。
圖4.弧形設(shè)置。
電壓波形分析
首先看一下電弧兩端的電壓,可以看到一些有趣的信息。電弧間隙打開時(shí),間隙兩端的電壓約為71 V。當(dāng)間隙閉合時(shí),會(huì)出現(xiàn)一個(gè)小電弧,在圖5的曲線圖上可以看到間隙上有一個(gè)20 V的壓降。當(dāng)間隙保持閉合時(shí),穩(wěn)定的電流流動(dòng),并且在電弧上檢測到很少的電壓。
圖5.電弧間隙上電壓波形的直流和交流分量。
但是,當(dāng)間隙打開并且電弧以持續(xù)的方式開始時(shí),可以看到間隙上出現(xiàn)20 V(大約)的壓降。該電壓保持不變,隨著間隙的增加,其兩端的電壓增加。在某個(gè)時(shí)間點(diǎn),電弧將停止繼續(xù),間隙兩端的電壓將恢復(fù)到其建立值。
對(duì)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)間隙閉合且無電弧時(shí),電壓波形上會(huì)發(fā)生瞬態(tài),如圖6中紅色圈出的區(qū)域所示。
圖6.電弧間隙電壓的交流分析。
當(dāng)電弧點(diǎn)燃并維持自身時(shí),會(huì)發(fā)生另一個(gè)瞬態(tài)。隨著間隙的進(jìn)一步打開,最初高頻分量似乎處于較低的幅度,但隨著間隙的擴(kuò)大,它們的幅度增加,直到間隙如此之大(100 V/14 A為14 mm),電弧無法維持并停止。電弧停止時(shí)也存在高瞬態(tài)。
電流信號(hào)分析
看看通過系統(tǒng)的電流發(fā)生了什么,下面的波形是流過系統(tǒng)的電流的預(yù)覽。首先,當(dāng)間隙閉合時(shí),然后隨著間隙打開,最后當(dāng)間隙太大而電流無法流動(dòng)并且電弧完全停止時(shí)。
圖7.電流分析中 ARC 的直流和交流分量。
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),系統(tǒng)中存在高頻分量(圖8),并且在沒有電弧的情況下沒有這些信號(hào)(圖9)。
圖8.無電弧 — 無高頻分量。
圖9.電弧 - 存在高頻分量。
頻譜分析
對(duì)弧光譜的回顧也在這里很有趣。圖11顯示了系統(tǒng)中存在電弧的頻譜。它在系統(tǒng)的基本級(jí)別上方可見。在較低頻率下,電平較高且更容易檢測,但在此較低電平下,存在系統(tǒng)開關(guān)組件,需要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。
圖 10.電弧電流頻譜。
圖 11.無電弧光譜。
在較高頻率下,雖然電弧以較低的幅度存在,但系統(tǒng)的開關(guān)分量也以較低的幅度存在,因此電弧更容易檢測。在較高頻率區(qū)域,較低分辨率的ADC可能就足夠了。
另一個(gè)有價(jià)值的信息是,無論產(chǎn)生電弧的電流/電壓如何,圖11中的頻譜在相同條件下變化不大。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)中的哪個(gè)位置可能發(fā)生電弧,在電路中的哪個(gè)位置需要電弧檢測。這可確保檢測到所有電弧。
然后應(yīng)測量電弧的強(qiáng)度或振幅。這是做出發(fā)生電弧的決定性決定所必需的。這也消除了由于外部輻射到相關(guān)系統(tǒng)上而導(dǎo)致的電弧錯(cuò)誤觸發(fā)。因此,需要一種過濾機(jī)制來消除電弧的錯(cuò)誤檢測。
確保同時(shí)考慮串聯(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)前域中進(jìn)行。
測試全部在直流域中使用符合UL1699B指令的測試夾具進(jìn)行,該夾具帶有兩個(gè)固體電極,其中高電流(7 A至14 A)通過它們。然后將它們分開,直到出現(xiàn)電弧并不斷分離,直到它們相距足夠遠(yuǎn)以至于電弧停止。
最大功率點(diǎn)跟蹤(MPPT)可能在電弧檢測中發(fā)揮重要作用,在開發(fā)解決方案時(shí)應(yīng)考慮這一點(diǎn)。
電弧檢測可能會(huì)在較低的頻譜(100 kHz區(qū)域)中進(jìn)行分析。電弧放電的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目前市場上有售,專門設(shè)計(jì)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)測電弧發(fā)生的方法,無論是在持續(xù)電弧發(fā)生之前還是在持續(xù)電弧壽命的早期,其中電弧源可以關(guān)閉。然后,光伏逆變器可以優(yōu)雅地關(guān)閉,防止火災(zāi),并在可能的情況下?lián)p壞逆變器。
審核編輯:郭婷
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