太陽能中的電弧檢測原因及方法

太陽能中的電弧檢測原因及方法

電子設計 發表於 2018-10-08 08:05:00

簡介

由於光伏(PV)太陽能面板設施可能發生新的危險，尤其是火災，所以未來的太陽能設計要求光伏系統具備電弧檢測能力。本文說明了電弧檢測需求的產生原因，對檢測方法進行分析，並提出了一種可能的解決方案來將電弧檢測集成到光伏逆變器設備和設施中。

背景

當今的太陽能光伏設施使用的逆變器有兩類：微逆變器和組串式逆變器。微逆變器僅轉換一個面板產生的電力，而組串式逆變器轉換多個面板或一串面板產生的電力。本文重點討論組串式逆變器類型的設施。這些設施中的功率逆變器系統將面板輸出的直流電源轉換為交流電流，以便可以直接在家中使用、儲存於電池系統中或送回電網。在典型的住宅太陽能光伏設施中，屋頂的各個光伏模塊串聯連接，形成光伏串，並進而連接到可以處理兩到四個光伏模塊串的組串式逆變器。此外，針對家庭使用、電池儲能或電網等不同情況，逆變器內部的最大功率點跟蹤器(MPPT)優化光伏面板與輸出之間的匹配度。

電弧是太陽能光伏和其他電流轉換應用中可能發生的一種危險情況，有引發火災的風險。對潛在起弧情況的檢測和反應（系統關停）是此類系統必須具備的一項關鍵安全特性。太陽能逆變器的直流側和交流側均可能產生電弧。

例如，當電纜中有大電流通過時，斷開這樣的電纜可能引起直流電弧。另外，在太陽能電池發生輻照的同時，光伏陣列會持續供應電流，這使問題進一步複雜化，可能引發連續起弧，導致火災。因此，光伏逆變器的直流側非常容易發生危險。雖然逆變器有斷開太陽能面板連接的要求，但這只是用於維護，而非正常工作。

在應用的交流側，電弧在過零時可能會自動熄滅，過零事件每50 Hz或60 Hz發生一次，故而光伏逆變器的交流側不大容易產生電弧相關的風險。另外，市場上有電弧故障斷路器(AFCI)，用於檢測交流電路中的電弧故障。

因此，電弧檢測對太陽能光伏逆變器確實非常重要。

輸入電壓Vin加到電感兩端，電感激磁並將能量儲存在電感中，電感和輸入電壓斷開後，電感的電流不能突變：L•di/dt=Vin，電感中變化的電流產生感應電壓，感應電壓的方向右正左負，如圖1所示。

直流電弧檢測——研究

挪威科技大學(NTNU)研究顯示，30 V的電壓即足以引起並維持電弧。他們的測試方法聚焦於電壓域以檢測電弧。他們還觀測到，當電弧燃燒時，光伏模塊上的電壓（典型值為60 V）下降。根據他們的電弧測試，壓降幅度約為10 V。電壓域分析的主要原因是實驗中使用了一個低成本微控制器。若非如此，他們建議使用更強大的DSP對電流信號的功率譜密度進行分析。

2007年，Swissolar在瑞士組織了一次名為「光伏直流陣列中的電弧——潛在危險和可能的解決方案」國際研討會，介紹了關於直流電弧對MPPT跟蹤的影響的一些有意義的情況，並建議未來的電弧檢測機制應重點考慮這些情況。

圖1. 電弧對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）對應的MPPT，同預期一樣，性能降幅非常可觀。

圖2. 電弧檢測對MPPT工作點的影響（Willi Vaassen，TÜV）

TÜV的進一步研究顯示了MPPT跟蹤器中相同大小的間隙引起的工作點偏差。結果再次表明MPPT性能大幅降低。

對於這種直流電弧問題，建議解決方案是基於電流測量分析。檢測機制監視負載中的電流和流至地的電流。負載中的電流通過一個濾波器，僅留下電弧特徵頻率範圍。然後進行信號調理，並通過一個邏輯機制來關閉起弧源，即光伏模塊或光伏逆變器。

電弧檢測仿真

設置

圖3是一個可能的電弧產生設置，其符合UL1699B標準。

圖3. 電弧發生器（照片屬ADI所有，拍攝於利默裡克工廠太陽能實驗室）

光伏電源系統與一個電弧發生器和一個1 Ω的鎮流電阻串聯，形成測試系統設置的基礎。對通過系統的電壓和電流進行分析，以探索可能的檢測機制。

圖4. 電弧設置

電壓波形分析

首先關注電弧上的電壓，我們可得出一些有意義的信息。電弧間隙打開時，間隙上的電壓約為71 V。間隙閉合時，產生一個小電弧，圖5顯示間隙上的電壓降低20 V。當間隙保持閉合狀態時，一個穩定的電流流過，電弧上幾乎檢測不到電壓。

然而，當間隙打開且電弧持續發生時，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，其上的電壓會提高。在某一時間點，電弧不再繼續發生，間隙上的電壓回到設定值。

圖5. 電弧間隙上的電壓波形的直流和交流分量

對電壓波形交流性能的進一步分析可揭示更多信息。當間隙閉合且沒有電弧時，電壓波形上出現瞬變，如圖6中紅圈區域所示。

圖6. 電弧間隙上電壓的交流分析

當電弧燃起並持續時，又出現一個瞬變。隨著間隙進一步打開，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，直至間隙過寬（100 V/14 A為14 mm）導致電弧不能維持自身而停止。當電弧停止時，再次出現一個高瞬變。

電流信號分析

現在看看經過系統的電流方面的情況，下面的波形是流經系統的電流的預覽。最初間隙閉合，然後間隙打開，最後間隙過大導致電流無法流過，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

對流過系統的電流的進一步分析顯示：當電弧存在時（圖8），系統中存在高頻成分；當電弧不存在時（圖9），這些信號也不存在。

圖8. 無電弧——無高頻成分

圖9. 有電弧——有高頻成分

頻譜分析

對電弧頻譜進行分析也是有意義的。圖11顯示了系統中存在電弧時的頻譜。它在系統的基本電平以上是可見的。頻率較低時，電平較高，更易於檢測，但在這種較低電平時，存在系統開關元件，需要予以濾除以便檢測電弧特徵。在頻率範圍的較低區域可能需要使用較高解析度的ADC。

圖10. 電弧電流頻譜

頻率較高時，雖然電弧以較低的幅度存在，但系統的開關元件也以較低的幅度存在，因此電弧檢測更容易。在較高頻率區域，較低解析度的ADC可能就足夠了。

圖11. 無電弧頻譜

還有一條有價值的信息，那就是在相同條件下，無論產生電弧的電流/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，因此系統中可以檢測到。

結語

必須根據下列要點解決直流電弧問題：

 對象是可能產生電弧的系統和需要電弧檢測的電路。確保能檢測到所有電弧。

 然後測量電弧的強度或幅度。這是明確判斷電弧是否產生所必需的，同時還能消除系統受到外部輻照所引起的電弧誤報。因此，必須採用一種濾波機制來消除電弧誤判。

 確保串聯和並聯電弧均得到處理，完整檢測可能需要（也可能不需要）多個獨立電路。

 確保電子電路也能自動或手動禁用光伏陣列和電網連接，以便阻止火災擴散。

 本文討論了多項內容，總結如下：

• 光伏逆變器的電弧檢測是對新開發太陽能光伏逆變器的一項要求。

• 起弧分析或電弧檢測主要是在電流域展開。

• 測試都是在直流域中展開，採用符合UL1699B指令的試驗裝置，它具有兩個固體電極，大電流（7 A至14 A）通過其中。然後將其分開，直至電弧產生；再繼續分開，直至距離足夠遠，電弧停止。

• 最大功率點跟蹤(MPPT)在電弧檢測中可發揮重要作用，開發解決方案時應予以考慮。

• 電弧檢測可以在較低頻譜（100 kHz區域）中進行分析。一種可能的電弧檢測解決方案是使用100 kHz頻譜的帶通濾波器和ADSP-CM40系列內置ADC。

• 目前市場上已有AFCI產品，其專門設計用於檢測交流電路中的電弧特徵。

光伏逆變器的電弧檢測必須包含一種預測電弧發生的方法，以便在持續電弧發生之前或持續電弧的壽命極早階段提供預警，並且能關斷電弧源。然後平穩地關斷光伏逆變器，防止火災和逆變器受損（如可能）。

圍繞電弧預測需要做更多研究和分析。

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