作者：Martin Murnane--ADI公司 簡介 由于光伏(PV)太陽能面板設(shè)施可能發(fā)生新的危險，尤其是火災(zāi)，所以未來的太陽能設(shè)計要求光伏系統(tǒng)具備電弧檢測能力。本文說明了電弧檢測需求的產(chǎn)生原因，對檢測方法進(jìn)行分析，并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(shè)備和設(shè)施中。 背景 當(dāng)今的太陽能光伏設(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)換一個面板產(chǎn)生的電力，而組串式逆變器轉(zhuǎn)換多個面板或一串面板產(chǎn)生的電力。本文重點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、儲存于電池系統(tǒng)中或送回電網(wǎng)。在典型的住宅太陽能光伏設(shè)施中，屋頂?shù)母鱾€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(wǎng)等不同情況，逆變器內(nèi)部的最大功率點跟蹤器(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)生的一種危險情況，有引發(fā)火災(zāi)的風(fēng)險。對潛在起弧情況的檢測和反應(yīng)（系統(tǒng)關(guān)停）是此類系統(tǒng)必須具備的一項關(guān)鍵安全特性。太陽能逆變器的直流側(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(fā)生輻照的同時，光伏陣列會持續(xù)供應(yīng)電流，這使問題進(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。雖然逆變器有斷開太陽能面板連接的要求，但這只是用于維護(hù)，而非正常工作。 在應(yīng)用的交流側(cè)，電弧在過零時可能會自動熄滅，過零事件每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。另外，市場上有電弧故障斷路器(AFCI)，用于檢測交流電路中的電弧故障。 因此，電弧檢測對太陽能光伏逆變器確實非常重要。 電弧檢測應(yīng)考慮檢測光伏逆變器中的故障，并且僅關(guān)斷受影響的逆變器區(qū)域以確保設(shè)備安全運(yùn)行，逆變器的其余部分則照常安全工作。此外還應(yīng)基于電弧相關(guān)性質(zhì)，考慮光伏逆變器的啟動或關(guān)斷操作。 直流電弧檢測——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。他們的測試方法聚焦于電壓域以檢測電弧。他們還觀測到，當(dāng)電弧燃燒時，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(qiáng)大的DSP對電流信號的功率譜密度進(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——潛在危險和可能的解決方案”國際研討會，介紹了關(guān)于直流電弧對MPPT跟蹤的影響的一些有意義的情況，并建議未來的電弧檢測機(jī)制應(yīng)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(yīng)的MPPT，同預(yù)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(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偏差。結(jié)果再次表明MPPT性能大幅降低。 對于這種直流電弧問題，建議解決方案是基于電流測量分析。檢測機(jī)制監(jiān)視負(fù)載中的電流和流至地的電流。負(fù)載中的電流通過一個濾波器，僅留下電弧特征頻率范圍。然后進(jìn)行信號調(diào)理，并通過一個邏輯機(jī)制來關(guān)閉起弧源，即光伏模塊或光伏逆變器。 電弧檢測仿真 設(shè)置 圖3是一個可能的電弧產(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能實驗室） 光伏電源系統(tǒng)與一個電弧發(fā)生器和一個1 Ω的鎮(zhèn)流電阻串聯(lián)，形成測試系統(tǒng)設(shè)置的基礎(chǔ)。對通過系統(tǒng)的電壓和電流進(jìn)行分析，以探索可能的檢測機(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。電弧間隙打開時，間隙上的電壓約為71 V。間隙閉合時，產(chǎn)生一個小電弧，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，一個穩(wěn)定的電流流過，電弧上幾乎檢測不到電壓。 然而，當(dāng)間隙打開且電弧持續(xù)發(fā)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(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)間隙閉合且沒有電弧時，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，又出現(xiàn)一個瞬變。隨著間隙進(jìn)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(dǎo)致電弧不能維持自身而停止。當(dāng)電弧停止時，再次出現(xiàn)一個高瞬變。 電流信號分析 現(xiàn)在看看經(jīng)過系統(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，最后間隙過大導(dǎo)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(tǒng)的電流的進(jìn)一步分析顯示：當(dāng)電弧存在時（圖8），系統(tǒng)中存在高頻成分；當(dāng)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(jìn)行分析也是有意義的。圖11顯示了系統(tǒng)中存在電弧時的頻譜。它在系統(tǒng)的基本電平以上是可見的。頻率較低時，電平較高，更易于檢測，但在這種較低電平時，存在系統(tǒng)開關(guān)元件，需要予以濾除以便檢測電弧特征。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，雖然電弧以較低的幅度存在，但系統(tǒng)的開關(guān)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(qū)域，較低分辨率的ADC可能就足夠了。