簡(jiǎn)介

由于光伏(PV)太陽(yáng)能面板設(shè)施可能發(fā)生新的危險(xiǎn)，尤其是火災(zāi)，所以未來(lái)的太陽(yáng)能設(shè)計(jì)要求光伏系統(tǒng)具備電弧檢測(cè)能力。本文說(shuō)明了電弧檢測(cè)需求的產(chǎn)生原因，對(duì)檢測(cè)方法進(jìn)行分析，并提出了一種可能的解決方案來(lái)將電弧檢測(cè)集成到光伏逆變器設(shè)備和設(shè)施中。

背景

當(dāng)今的太陽(yáng)能光伏設(shè)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(gè)面板產(chǎn)生的電力，而組串式逆變器轉(zhuǎn)換多個(gè)面板或一串面板產(chǎn)生的電力。本文重點(diǎn)討論組串式逆變器類型的設(shè)施。這些設(shè)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(chǔ)存于電池系統(tǒng)中或送回電網(wǎng)。在典型的住宅太陽(yáng)能光伏設(shè)施中，屋頂?shù)母鱾€(gè)光伏模塊串聯(lián)連接，形成光伏串，并進(jìn)而連接到可以處理兩到四個(gè)光伏模塊串的組串式逆變器。此外，針對(duì)家庭使用、電池儲(chǔ)能或電網(wǎng)等不同情況，逆變器內(nèi)部的最大功率點(diǎn)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(yáng)能光伏和其他電流轉(zhuǎn)換應(yīng)用中可能發(fā)生的一種危險(xiǎn)情況，有引發(fā)火災(zāi)的風(fēng)險(xiǎn)。對(duì)潛在起弧情況的檢測(cè)和反應(yīng)（系統(tǒng)關(guān)停）是此類系統(tǒng)必須具備的一項(xiàng)關(guān)鍵安全特性。太陽(yáng)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(dāng)電纜中有大電流通過(guò)時(shí)，斷開(kāi)這樣的電纜可能引起直流電弧。另外，在太陽(yáng)能電池發(fā)生輻照的同時(shí)，光伏陣列會(huì)持續(xù)供應(yīng)電流，這使問(wèn)題進(jìn)一步復(fù)雜化，可能引發(fā)連續(xù)起弧，導(dǎo)致火災(zāi)。因此，光伏逆變器的直流側(cè)非常容易發(fā)生危險(xiǎn)。雖然逆變器有斷開(kāi)太陽(yáng)能面板連接的要求，但這只是用于維護(hù)，而非正常工作。

在應(yīng)用的交流側(cè)，電弧在過(guò)零時(shí)可能會(huì)自動(dòng)熄滅，過(guò)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(guān)的風(fēng)險(xiǎn)。另外，市場(chǎng)上有電弧故障斷路器(AFCI)，用于檢測(cè)交流電路中的電弧故障。

因此，電弧檢測(cè)對(duì)太陽(yáng)能光伏逆變器確實(shí)非常重要。

輸入電壓Vin加到電感兩端，電感激磁并將能量?jī)?chǔ)存在電感中，電感和輸入電壓斷開(kāi)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(yīng)電壓，感應(yīng)電壓的方向右正左負(fù)，如圖1所示。

直流電弧檢測(cè)——研究

挪威科技大學(xué)(NTNU)研究顯示，30 V的電壓即足以引起并維持電弧。他們的測(cè)試方法聚焦于電壓域以檢測(cè)電弧。他們還觀測(cè)到，當(dāng)電弧燃燒時(shí)，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(cè)試，壓降幅度約為10 V。電壓域分析的主要原因是實(shí)驗(yàn)中使用了一個(gè)低成本微控制器。若非如此，他們建議使用更強(qiáng)大的DSP對(duì)電流信號(hào)的功率譜密度進(jìn)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(xiǎn)和可能的解決方案”國(guó)際研討會(huì)，介紹了關(guān)于直流電弧對(duì)MPPT跟蹤的影響的一些有意義的情況，并建議未來(lái)的電弧檢測(cè)機(jī)制應(yīng)重點(diǎn)考慮這些情況。

圖1. 電弧對(duì)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(duì)應(yīng)的MPPT，同預(yù)期一樣，性能降幅非常可觀。

圖2. 電弧檢測(cè)對(duì)MPPT工作點(diǎn)的影響（Willi Vaassen，TüV）

TüV的進(jìn)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(diǎn)偏差。結(jié)果再次表明MPPT性能大幅降低。

對(duì)于這種直流電弧問(wèn)題，建議解決方案是基于電流測(cè)量分析。檢測(cè)機(jī)制監(jiān)視負(fù)載中的電流和流至地的電流。負(fù)載中的電流通過(guò)一個(gè)濾波器，僅留下電弧特征頻率范圍。然后進(jìn)行信號(hào)調(diào)理，并通過(guò)一個(gè)邏輯機(jī)制來(lái)關(guān)閉起弧源，即光伏模塊或光伏逆變器。

電弧檢測(cè)仿真

設(shè)置

圖3是一個(gè)可能的電弧產(chǎn)生設(shè)置，其符合UL1699B標(biāo)準(zhǔn)。

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(yáng)能實(shí)驗(yàn)室）

光伏電源系統(tǒng)與一個(gè)電弧發(fā)生器和一個(gè)1 Ω的鎮(zhèn)流電阻串聯(lián)，形成測(cè)試系統(tǒng)設(shè)置的基礎(chǔ)。對(duì)通過(guò)系統(tǒng)的電壓和電流進(jìn)行分析，以探索可能的檢測(cè)機(jī)制。

圖4. 電弧設(shè)置

電壓波形分析

首先關(guān)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(kāi)時(shí)，間隙上的電壓約為71 V。間隙閉合時(shí)，產(chǎn)生一個(gè)小電弧，圖5顯示間隙上的電壓降低20 V。當(dāng)間隙保持閉合狀態(tài)時(shí)，一個(gè)穩(wěn)定的電流流過(guò)，電弧上幾乎檢測(cè)不到電壓。

然而，當(dāng)間隙打開(kāi)且電弧持續(xù)發(fā)生時(shí)，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(huì)提高。在某一時(shí)間點(diǎn)，電弧不再繼續(xù)發(fā)生，間隙上的電壓回到設(shè)定值。

圖5. 電弧間隙上的電壓波形的直流和交流分量

對(duì)電壓波形交流性能的進(jìn)一步分析可揭示更多信息。當(dāng)間隙閉合且沒(méi)有電弧時(shí)，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(dāng)電弧燃起并持續(xù)時(shí)，又出現(xiàn)一個(gè)瞬變。隨著間隙進(jìn)一步打開(kāi)，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(guò)寬（100 V/14 A為14 mm）導(dǎo)致電弧不能維持自身而停止。當(dāng)電弧停止時(shí)，再次出現(xiàn)一個(gè)高瞬變。

電流信號(hào)分析

現(xiàn)在看看經(jīng)過(guò)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(yù)覽。最初間隙閉合，然后間隙打開(kāi)，最后間隙過(guò)大導(dǎo)致電流無(wú)法流過(guò)，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(duì)流過(guò)系統(tǒng)的電流的進(jìn)一步分析顯示：當(dāng)電弧存在時(shí)（圖8），系統(tǒng)中存在高頻成分；當(dāng)電弧不存在時(shí)（圖9），這些信號(hào)也不存在。

圖8. 無(wú)電弧——無(wú)高頻成分

圖9. 有電弧——有高頻成分

頻譜分析

對(duì)電弧頻譜進(jìn)行分析也是有意義的。圖11顯示了系統(tǒng)中存在電弧時(shí)的頻譜。它在系統(tǒng)的基本電平以上是可見(jiàn)的。頻率較低時(shí)，電平較高，更易于檢測(cè)，但在這種較低電平時(shí)，存在系統(tǒng)開(kāi)關(guān)元件，需要予以濾除以便檢測(cè)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(shí)，雖然電弧以較低的幅度存在，但系統(tǒng)的開(kāi)關(guān)元件也以較低的幅度存在，因此電弧檢測(cè)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(wú)電弧頻譜

還有一條有價(jià)值的信息，那就是在相同條件下，無(wú)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(cè)到。

結(jié)語(yǔ)

必須根據(jù)下列要點(diǎn)解決直流電弧問(wèn)題：

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

? 然后測(cè)量電弧的強(qiáng)度或幅度。這是明確判斷電弧是否產(chǎn)生所必需的，同時(shí)還能消除系統(tǒng)受到外部輻照所引起的電弧誤報(bào)。因此，必須采用一種濾波機(jī)制來(lái)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(cè)可能需要（也可能不需要）多個(gè)獨(dú)立電路。

? 確保電子電路也能自動(dòng)或手動(dòng)禁用光伏陣列和電網(wǎng)連接，以便阻止火災(zāi)擴(kuò)散。

? 本文討論了多項(xiàng)內(nèi)容，總結(jié)如下：

? 光伏逆變器的電弧檢測(cè)是對(duì)新開(kāi)發(fā)太陽(yáng)能光伏逆變器的一項(xiàng)要求。

? 起弧分析或電弧檢測(cè)主要是在電流域展開(kāi)。

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

? 最大功率點(diǎn)跟蹤(MPPT)在電弧檢測(cè)中可發(fā)揮重要作用，開(kāi)發(fā)解決方案時(shí)應(yīng)予以考慮。

? 電弧檢測(cè)可以在較低頻譜（100 kHz區(qū)域）中進(jìn)行分析。一種可能的電弧檢測(cè)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(chǎng)上已有AFCI產(chǎn)品，其專門(mén)設(shè)計(jì)用于檢測(cè)交流電路中的電弧特征。

光伏逆變器的電弧檢測(cè)必須包含一種預(yù)測(cè)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(yù)警，并且能關(guān)斷電弧源。然后平穩(wěn)地關(guān)斷光伏逆變器，防止火災(zāi)和逆變器受損（如可能）。

圍繞電弧預(yù)測(cè)需要做更多研究和分析。