太阳能光伏系统设计中电弧检测分析及解决方案

简介

光伏（PV）系统中的电弧检测是未来太阳能设计的一项要求，因为新的危险，特别是火灾，这可能发生在光伏太阳能电池板安装中。本文介绍了产生电弧检测需求的因素，检测方法的分析以及在光伏逆变器设备和装置中集成电弧检测的可能解决方案。

背景

目前用于太阳能光伏装置的两种类型的逆变器 - 微型逆变器和串式逆变器。微型逆变器从一个面板转换电力，而串式逆变器从多个面板或一串面板转换电力。本文将重点介绍串式逆变器的安装方式。这些装置中的功率逆变器系统将面板的直流功率输出转换为交流电流，该电流可直接用于家庭，存储在电池系统中或发送回电网。在典型的住宅太阳能PV装置中，各个屋顶PV模块串联连接以形成这些串，这些串又连接到可以处理两到四个串之间的串逆变器。此外，逆变器内部的最大功率点跟踪器（MPPT）可优化PV面板与输出之间的匹配，无论是家用，电池存储还是公用电网。

电弧是一种严重的情况这可能发生在太阳能光伏和其他可能导致火灾的电流转换应用中。对潜在电弧放电情况的检测和反应（系统关闭）是这些系统所需的关键安全特性。光伏发电机可能出现在光伏逆变器的直流侧和交流侧。

例如，断开电缆可能会在高电流流过时产生直流电弧。使这个问题更加复杂的是，PV阵列将在太阳能电池上发生辐照时连续供应电流。这可能导致持续的电弧放电并导致火灾。这使得PV逆变器的直流侧极易受到危险。虽然要求断开逆变器中的太阳能电池板，但这只是为了维护而不是正常运行。

在应用的交流侧，电弧可能在零交叉时自行熄灭，这使得PV逆变器的交流侧不太容易受到与电弧放电相关的风险，因为其交叉每50Hz或60Hz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的一个非常重要的因素。

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安全运行设备的其余部分安全运行。此外，还应考虑光伏逆变器的启动或关闭操作，关于其与电弧放电相关的特性。

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。他们的测试方法专注于电压域以检测电弧。他们还发现，当电弧燃烧时，PV模块上的电压（通常为60 V）会下降。电弧上的电压下降及其测试的幅度为10 V.在电压域中进行分析的主要原因是在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分析当前信号的功率谱密度。

2007年在瑞士举办的国际研讨会由Swissolar组织，名为光伏直流阵列电弧 - 潜在的危险和可能的解决方案，提出了关于直流电弧对MPPT跟踪的影响的一些有趣的事实，并建议这应该在未来的电弧检测机制中发挥重要作用。

图2显示了所产生的MPPT，其具有1 mm，3 mm和6 mm的各种弧隙，导致性能大幅降低，如预期的那样。

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

建议的直流电弧问题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，除去电弧特征频率范围以外的所有滤波器。然后对其进行信号调节并通过逻辑关闭电弧放电源，PV模块或PV逆变器。

电弧检测模拟

设置

< p>图3是电弧生成的可能设置，符合UL1699B。

光伏发电系统与电弧发生器和1Ω镇流电阻串联，构成了测试系统设置。分析通过系统的电压和电流的可能检测机制。

电压波形分析

首先看一下电弧上的电压显示一些有趣的信息。当弧隙打开时，间隙上的电压约为71V。当间隙闭合时，会出现一个小弧，并且可以在图5中的图中看到跨越间隙的20 V压降。当间隙保持闭合时，稳定的电流流过，并且在电弧上检测到的电压很小。

然而，当间隙打开并且电弧以持续的方式开始时，可以看到跨越间隙的20V（大约）下降。该电压保持不变，随着间隙增加，其上的电压增加。在某个时间点，电弧将停止继续，间隙上的电压将恢复到其设定值。

进一步分析交流性能下的电压波形会显示更多信息。当间隙闭合且没有电弧时，电压波形会发生瞬变，如图6中红色圆圈区域所示。

当电弧点燃并持续时，会出现另一个瞬态本身。随着间隙进一步打开，最初高频分量处于看似低的幅度，但随着间隙变宽，它们的幅度增加，直到间隙如此宽（对于100 V / 14 A为14 mm），电弧无法自行维持并停止。电弧停止时也会出现高瞬态。

电流信号分析

观察通过系统的电流情况，下面的波形是预览电流流过系统。首先，当间隙闭合时，然后当间隙打开时，最后当间隙太大而电流不能流动时，电弧完全停止。

进一步分析电流流动通过系统显示存在电弧时系统中存在的高频成分（图8），并且没有电弧时没有这些信号（图9）。

频谱分析

此处对电弧频谱的回顾也很重要。图11显示了系统中存在电弧的光谱。它在系统的基础级别上方可见。在较低频率下，电平更高并且更容易检测，但是在该较低级别，存在系统切换组件并且需要将其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。

在较高频率下，尽管电弧存在较低的幅度，但开关元件的频率较低。系统也以较低的幅度存在，因此可以更容易地检测电弧。较低分辨率的ADC可能在较高频率范围内就足够了。

另一条有价值的信息是图11中的频谱在相同条件下变化很小，而与产生电弧的电流/电压无关。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，电弧可能发生，电路中的哪个位置需要电弧检测。这样可以确保检测到所有电弧。

然后应测量电弧的强度或幅度。这需要做出决定发生电弧的决定性因素。这还消除了由于外部发射到所讨论的系统上而引起的电弧错误触发。因此，需要使用滤波器机制来消除对弧的错误检测。

确保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连接到电网，以阻止未决火灾蔓延。

本文件中讨论过许多项目，总结如下：

光伏逆变器中的电弧检测是太阳能光伏逆变器新发展的必要条件。

电弧或电弧检测分析

测试全部在直流域中进行，使用与UL1699B指令对齐的测试夹具和两个固体电极，其中高电流（7 A至14 A）通过通过他们。然后将它们分开，直到电弧出现并连续分开，直到它们足够远以使电弧停止。

最大功率点跟踪（MPPT）可能在电弧检测中起重要作用，应在开发中考虑解决方案。

可能会在较低频谱（100 kHz区域）内分析电弧检测。电弧放电的一种可能解决方案是使用ADSP-CM40s内部ADC的100 kHz频谱带通滤波器。

AFCI现已上市，专门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放电发生的方法，可以在持续电弧发生之前或在持续电弧寿命期间非常早期，可以关闭电弧源。然后可以优雅地关闭光伏逆变器，防止火灾，并在可能的情况下损坏逆变器。