太陽能應(yīng)用的電弧檢測分析

　　簡介

　　由于光伏(PV)太陽能面板設(shè)施可能發(fā)生新的危險(xiǎn)，尤其是火災(zāi)，所以未來的太陽能設(shè)計(jì)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(duì)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(gè)面板產(chǎn)生的電力，而組串式逆變器轉(zhuǎn)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(chǔ)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€(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(duì)家庭使用、電池儲(chǔ)能或電網(wǎng)等不同情況，逆變器內(nèi)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(xiǎn)情況，有引發(fā)火災(zāi)的風(fēng)險(xiǎn)。對(duì)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(xiàng)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(shí)，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(shí)，光伏陣列會(huì)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(xiǎn)。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(shí)可能會(huì)自動(dòng)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(xiǎn)。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(duì)太陽能光伏逆變器確實(shí)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(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。他們還觀測到，當(dāng)電弧燃燒時(shí)，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(shí)驗(yàn)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(qiáng)大的DSP對(duì)電流信號(hào)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(xiǎn)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(duì)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(duì)MPPT的影響(Willi Vaassen，TüV)

　　太陽能應(yīng)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(duì)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(duì)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(duì)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(gè)濾波器，僅留下電弧特征頻率范圍。然后進(jìn)行信號(hào)調(diào)理，并通過一個(gè)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(gè)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(shí)驗(yàn)室)

　　光伏電源系統(tǒng)與一個(gè)電弧發(fā)生器和一個(gè)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(duì)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