太阳能应用的电弧检测分析

光伏（PV）系统中的电弧检测是未来太阳能设计的要求，因为光伏太阳能电池板安装中可能发生新的危险，尤其是火灾。本文介绍了对电弧检测的需求、检测方法的分析以及将电弧检测集成到光伏逆变器设备和装置中的可能解决方案。

背景

目前太阳能光伏装置中使用的逆变器有两种类型——微型逆变器和组串式逆变器。微型逆变器从一个面板转换电力，而组串逆变器转换来自多个面板或一串面板的电力。本文将重点介绍组串式逆变器的安装方式。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流，该交流电流可以直接在家中使用，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装置中，单个屋顶光伏组件串联连接以形成这些串，而这些串又连接到可以处理两到四个串的组串逆变器。此外，逆变器内部的最大功率点跟踪器（MPPT）优化了光伏电池板和输出之间的匹配，无论是家庭使用、电池存储还是公用电网。

电弧是一种严重的疾病，可能发生在太阳能光伏和其他电流转换应用中，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。电弧可能发生在光伏逆变器的直流和交流侧。

例如，当高电流流动时，电缆断开可能会导致直流电弧。使这个问题更加复杂的是，当太阳能电池上发生辐照度时，光伏阵列将连续提供电流。这可能导致连续电弧并导致火灾。这使得光伏逆变器的直流侧极易受到危险的影响。尽管需要断开逆变器中的太阳能电池板，但这仅用于维护，而不是正常运行。

在应用的交流侧，电弧可能会在零交越时自行熄灭，这使得光伏逆变器的交流侧不太容易受到与电弧相关的风险的影响，因为它的交越每50 Hz或60 Hz发生一次。市场上还有电弧故障断路器（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，并仅关闭逆变器的受影响区域，以确保设备的安全运行，而逆变器的其余部分则安全运行。此外，还应考虑光伏逆变器的启动或关闭操作，就其与电弧相关的特性而言。

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。他们的测试方法集中在电压域上以检测电弧。他们还观察到，当电弧燃烧时，光伏模块上的电压（通常为60 V）下降。电弧和测试两端的电压下降幅度为10 V。在电压域进行分析的主要原因是在实验中使用了低成本微控制器。否则，他们建议使用更强大的DSP分析电流信号的功率谱密度。

2007年，Swissolar在瑞士举办了题为“光伏直流阵列中的电弧——潜在危险和可能的解决方案”的国际研讨会，介绍了直流电弧对MPPT跟踪影响的一些有趣事实，并建议这应该在未来的电弧检测机制中发挥重要作用。

图1.电弧对MPPT的影响（Willi Vaassen，TÜV）。

图2显示了产生的MPPT，具有1 mm、3 mm和6 mm的各种电弧间隙，导致性能大幅下降，正如预期的那样。

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

TÜV的进一步调查显示了由于MPPT跟踪器中相同间隙大小而导致的工作点偏差。结果再次显示MPPT性能大大降低。

针对拟议的直流电弧问题，建议的解决方案基于电流测量分析。检测机制监控负载中的电流和接地电流。负载中的电流通过滤波器，该滤波器消除了除电弧特征频率范围之外的所有频率范围。然后进行信号调理并通过逻辑来关闭电弧源，即光伏模块或光伏逆变器。

电弧检测模拟

设置

图3是电弧产生的可能设置，符合UL1699B标准。

图3.电弧发生器。（ADI公司的照片来源，拍摄于利默里克工厂的太阳能实验室。

光伏电源系统与电弧发生器和 1 Ω 镇流电阻串联，构成了测试系统设置的基础。分析通过系统的电压和电流，以了解可能的检测机制。

图4.弧形设置。

电压波形分析

首先看一下电弧两端的电压，可以看到一些有趣的信息。电弧间隙打开时，间隙两端的电压约为71 V。当间隙闭合时，会出现一个小电弧，在图5的曲线图上可以看到间隙上有一个20 V的压降。当间隙保持闭合时，稳定的电流流动，并且在电弧上检测到很少的电压。

图5.电弧间隙上电压波形的直流和交流分量。

但是，当间隙打开并且电弧以持续的方式开始时，可以看到间隙上出现20 V（大约）的压降。该电压保持不变，随着间隙的增加，其两端的电压增加。在某个时间点，电弧将停止继续，间隙两端的电压将恢复到其建立值。

对交流性能下的电压波形的进一步分析显示了更多信息。当间隙闭合且无电弧时，电压波形上会发生瞬态，如图6中红色圈出的区域所示。

图6.电弧间隙电压的交流分析。

当电弧点燃并维持自身时，会发生另一个瞬态。随着间隙的进一步打开，最初高频分量似乎处于较低的幅度，但随着间隙的扩大，它们的幅度增加，直到间隙如此之大（100 V/14 A为14 mm），电弧无法维持并停止。电弧停止时也存在高瞬态。

电流信号分析

看看通过系统的电流发生了什么，下面的波形是流过系统的电流的预览。首先，当间隙闭合时，然后随着间隙打开，最后当间隙太大而电流无法流动并且电弧完全停止时。

图7.电流分析中 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，系统中存在高频分量（图8），并且在没有电弧的情况下没有这些信号（图9）。

图8.无电弧 — 无高频分量。

图9.电弧 - 存在高频分量。

频谱分析

对弧光谱的回顾也在这里很有趣。图11显示了系统中存在电弧的频谱。它在系统的基本级别上方可见。在较低频率下，电平较高且更容易检测，但在此较低电平下，存在系统开关组件，需要滤除以检测电弧特征。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。

在较高频率下，虽然电弧以较低的幅度存在，但系统的开关分量也以较低的幅度存在，因此电弧更容易检测。在较高频率区域，较低分辨率的ADC可能就足够了。

另一个有价值的信息是，无论产生电弧的电流/电压如何，图11中的频谱在相同条件下变化不大。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：

在系统中的哪个位置可能发生电弧，在电路中的哪个位置需要电弧检测。这可确保检测到所有电弧。

然后应测量电弧的强度或振幅。这是做出发生电弧的决定性决定所必需的。这也消除了由于外部辐射到相关系统上而导致的电弧错误触发。因此，需要一种过滤机制来消除电弧的错误检测。

确保同时考虑串联和并联电弧，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域中进行。

测试全部在直流域中使用符合UL1699B指令的测试夹具进行，该夹具带有两个固体电极，其中高电流（7 A至14 A）通过它们。然后将它们分开，直到出现电弧并不断分离，直到它们相距足够远以至于电弧停止。

最大功率点跟踪（MPPT）可能在电弧检测中发挥重要作用，在开发解决方案时应考虑这一点。

电弧检测可能会在较低的频谱（100 kHz区域）中进行分析。电弧放电的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目前市场上有售，专门设计用于检测交流电路中的电弧特征。

光伏逆变器中的电弧检测必须包括一种预测电弧发生的方法，无论是在持续电弧发生之前还是在持续电弧寿命的早期，其中电弧源可以关闭。然后，光伏逆变器可以优雅地关闭，防止火灾，并在可能的情况下损坏逆变器。

审核编辑：郭婷