新基建風(fēng)口之下，可再生能源產(chǎn)業(yè)無疑會迎來新的發(fā)展機(jī)遇。作為可再生能源中的“尖子生”，光伏發(fā)電在新基建概念中占據(jù)著不可或缺的地位，將在5G、特高壓、充電樁、大數(shù)據(jù)中心等細(xì)分領(lǐng)域中發(fā)揮重要作用。不過在技術(shù)方面，由于光伏（PV）太陽能面板設(shè)施有引發(fā)火災(zāi)風(fēng)險的可能，所以太陽能設(shè)計要求光伏系統(tǒng)必須具備電弧檢測能力。

今天我們將說說電弧檢測需求的產(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。

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(diǎn)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(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(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。

圖5. 電弧間隙上的電壓波形的直流和交流分量

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(diǎn)，電弧不再繼續(xù)發(fā)生，間隙上的電壓回到設(shè)定值。

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10. 電弧電流頻譜

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11. 無電弧頻譜

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。

還有一條有價值的信息，那就是在相同條件下，無論產(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(tǒng)中可以檢測到。

結(jié)語

必須根據(jù)下列要點(diǎn)解決直流電弧問題：

對象是可能產(chǎn)生電弧的系統(tǒng)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(qiáng)度或幅度。這是明確判斷電弧是否產(chǎn)生所必需的，同時還能消除系統(tǒng)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(jī)制來消除電弧誤判；

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）多個獨(dú)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(wǎng)連接，以便阻止火災(zāi)擴(kuò)散。

本文討論了多項內(nèi)容，總結(jié)如下：

光伏逆變器的電弧檢測是對新開發(fā)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，采用符合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，然后將其分開，直至電弧產(chǎn)生；再繼續(xù)分開，直至距離足夠遠(yuǎn)，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，開發(fā)解決方案時應(yīng)予以考慮；

電弧檢測可以在較低頻譜（100 kHz區(qū)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(nèi)置 ADC；

目前市場上已有 AFCI 產(chǎn)品，其專門設(shè)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(yù)測電弧發(fā)生的方法，以便在持續(xù)電弧發(fā)生之前或持續(xù)電弧的壽命極早階段提供預(yù)警，并且能關(guān)斷電弧源。然后平穩(wěn)地關(guān)斷光伏逆變器，防止火災(zāi)和逆變器受損（如可能圍繞電弧預(yù)測需要做更多研究和分析）。
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