太陽能應用的電弧檢測分析

　　簡介

　　由于光伏(PV)太陽能面板設施可能發(fā)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(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(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施。這些設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施中，屋頂?shù)母鱾€光伏模塊串聯(lián)連接，形成光伏串，并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(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)換應用中可能發(fā)生的一種危險情況，有引發(fā)火災的風險。對潛在起弧情況的檢測和反應(系統(tǒng)關停)是此類系統(tǒng)必須具備的一項關鍵安全特性。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)供應電流，這使問題進一步復雜化，可能引發(fā)連續(xù)起弧，導致火災。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，而非正常工作。

　　在應用的交流側(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)生電弧相關的風險。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。

　　電弧檢測應考慮檢測光伏逆變器中的故障，并且僅關斷受影響的逆變器區(qū)域以確保設備安全運行，逆變器的其余部分則照常安全工作。此外還應基于電弧相關性質(zhì)，考慮光伏逆變器的啟動或關斷操作。

　　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制應重點考慮這些情況。

　　圖1.電弧對MPPT的影響(Willi Vaassen，TüV)

　　太陽能應用的電弧檢測分析

　　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(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。檢測機制監(jiān)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，僅留下電弧特征頻率范圍。然后進行信號調(diào)理，并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(chǎn)生設置，其符合UL1699B標準。

　　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)設置的基礎。對通過系統(tǒng)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