太陽(yáng)能應用的電弧檢測分析

　　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(kāi)時(shí)，間隙上的電壓約為71 V。間隙閉合時(shí)，產(chǎn)生一個(gè)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(tài)時(shí)，一個(gè)穩定的電流流過(guò)，電弧上幾乎檢測不到電壓。

　　然而，當間隙打開(kāi)且電弧持續發(fā)生時(shí)，可以看到間隙上的壓降約為20 V。此電壓保持不變，隨著(zhù)間隙增大，其上的電壓會(huì )提高。在某一時(shí)間點(diǎn)，電弧不再繼續發(fā)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(jìn)一步分析可揭示更多信息。當間隙閉合且沒(méi)有電弧時(shí)，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

　　當電弧燃起并持續時(shí)，又出現一個(gè)瞬變。隨著(zhù)間隙進(jìn)一步打開(kāi)，最初高頻分量的幅度看似較低，但隨著(zhù)間隙變寬，其幅度也增大，直至間隙過(guò)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(shí)，再次出現一個(gè)高瞬變。

　　電流信號分析

　　現在看看經(jīng)過(guò)系統的電流方面的情況，下面的波形是流經(jīng)系統的電流的預覽。最初間隙閉合，然后間隙打開(kāi)，最后間隙過(guò)大導致電流無(wú)法流過(guò)，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(guò)系統的電流的進(jìn)一步分析顯示：當電弧存在時(shí)(圖8)，系統中存在高頻成分;當電弧不存在時(shí)(圖9)，這些信號也不存在。

　　圖8.無(wú)電弧——無(wú)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顯示了系統中存在電弧時(shí)的頻譜。它在系統的基本電平以上是可見(jiàn)的。頻率較低時(shí)，電平較高，更易于檢測，但在這種較低電平時(shí)，存在系統開(kāi)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(shí)，雖然電弧以較低的幅度存在，但系統的開(kāi)關(guān)元件也以較低的幅度存在，因此電弧檢測更容易。在較高頻率區域，較低分辨率的ADC可能就足夠了。

　　圖11.無(wú)電弧頻譜

　　還有一條有價(jià)值的信息，那就是在相同條件下，無(wú)論產(chǎn)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(yǔ)

　　必須根據下列要點(diǎn)解決直流電弧問(wèn)題：

　　? 對象是可能產(chǎn)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。

　　? 然后測量電弧的強度或幅度。

　　? 這是明確判斷電弧是否產(chǎn)生所必需的，同時(shí)還能消除系統受到外部輻照所引起的電弧誤報。因此，必須采用一種濾波機制來(lái)消除電弧誤判。

　　? 確保串聯(lián)和并聯(lián)電弧均得到處理，完整檢測可能需要(也可能不需要)多個(gè)獨立電路。

　　? 確保電子電路也能自動(dòng)或手動(dòng)禁用光伏陣列和電網(wǎng)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(kāi)發(fā)太陽(yáng)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(kāi)。

　　 測試都是在直流域中展開(kāi)，采用符合UL1699B指令的試驗裝置，它具有兩個(gè)固體電極，大電流(7 A至14 A)通過(guò)其中。然后將其分開(kāi)，直至電弧產(chǎn)生;再繼續分開(kāi)，直至距離足夠遠，電弧停止。

　　 最大功率點(diǎn)跟蹤(MPPT)在電弧檢測中可發(fā)揮重要作用，開(kāi)發(fā)解決方案時(shí)應予以考慮。

　　 電弧檢測可以在較低頻譜(100 kHz區域)中進(jìn)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(chǎng)上已有AFCI產(chǎn)品，其專(zhuān)門(mén)設計用于檢測交流電路中的電弧特征。

　　光伏逆變器的電弧檢測必須包含一種預測電弧發(fā)生的方法，以便在持續電弧發(fā)生之前或持續電弧的壽命極早階段提供預警，并且能關(guān)斷電弧源。然后平穩地關(guān)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。

　　參考文獻：

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　　Norum，Lars E;Schimpf，Fritz。防止光伏系統產(chǎn)生電弧的可能性。挪威科技大學(xué)(NTNU)，2009年。

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　　再生能源發(fā)電網(wǎng)頁(yè)。ADI公司，2016年。

　　作者簡(jiǎn)介

　　Martin Murnane是愛(ài)爾蘭利默里克市ADI公司太陽(yáng)能光伏團隊成員。之前曾任職于A(yíng)DI公司汽車(chē)團隊。加入ADI公司之前，他曾從事過(guò)能源循環(huán)利用系統中應用開(kāi)發(fā)(Schaffner Systems)、基于Windows的應用軟件/數據庫開(kāi)發(fā)(Dell Computers)以及采用應變計技術(shù)的產(chǎn)品開(kāi)發(fā)(BMS)等領(lǐng)域的工作。他擁有利默里克大學(xué)電子工程學(xué)位和工商管理碩士學(xué)位。