太陽(yáng)能應用的電弧檢測分析

　　簡(jiǎn)介

　　由于光伏(PV)太陽(yáng)能面板設施可能發(fā)生新的危險，尤其是火災，所以未來(lái)的太陽(yáng)能設計要求光伏系統具備電弧檢測能力。本文說(shuō)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(lái)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(yáng)能光伏設施使用的逆變器有兩類(lèi)：微逆變器和組串式逆變器。微逆變器僅轉換一個(gè)面板產(chǎn)生的電力，而組串式逆變器轉換多個(gè)面板或一串面板產(chǎn)生的電力。本文重點(diǎn)討論組串式逆變器類(lèi)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、儲存于電池系統中或送回電網(wǎng)。在典型的住宅太陽(yáng)能光伏設施中，屋頂的各個(gè)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(gè)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，逆變器內部的最大功率點(diǎn)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(yáng)能光伏和其他電流轉換應用中可能發(fā)生的一種危險情況，有引發(fā)火災的風(fēng)險。對潛在起弧情況的檢測和反應(系統關(guān)停)是此類(lèi)系統必須具備的一項關(guān)鍵安全特性。太陽(yáng)能逆變器的直流側和交流側均可能產(chǎn)生電弧。

　　例如，當電纜中有大電流通過(guò)時(shí)，斷開(kāi)這樣的電纜可能引起直流電弧。另外，在太陽(yáng)能電池發(fā)生輻照的同時(shí)，光伏陣列會(huì )持續供應電流，這使問(wèn)題進(jìn)一步復雜化，可能引發(fā)連續起弧，導致火災。因此，光伏逆變器的直流側非常容易發(fā)生危險。雖然逆變器有斷開(kāi)太陽(yáng)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，電弧在過(guò)零時(shí)可能會(huì )自動(dòng)熄滅，過(guò)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不大容易產(chǎn)生電弧相關(guān)的風(fēng)險。另外，市場(chǎng)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(yáng)能光伏逆變器確實(shí)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(guān)斷受影響的逆變器區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(guān)性質(zhì)，考慮光伏逆變器的啟動(dòng)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(guān)測到，當電弧燃燒時(shí)，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(shí)驗中使用了一個(gè)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(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(huì )，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(lái)的電弧檢測機制應重點(diǎn)考慮這些情況。

　　圖1.電弧對MPPT的影響(Willi Vaassen，TüV)

　　太陽(yáng)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?？捎^(guān)。

　　圖2.電弧檢測對MPPT工作點(diǎn)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(diǎn)偏差。結果再次表明MPPT性能大幅降低。

　　對于這種直流電弧問(wèn)題，建議解決方案是基于電流測量分析。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(guò)一個(gè)濾波器，僅留下電弧特征頻率范圍。然后進(jìn)行信號調理，并通過(guò)一個(gè)邏輯機制來(lái)關(guān)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(gè)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(chǎng)太陽(yáng)能實(shí)驗室)

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

　　圖4.電弧設置