太陽能應(yīng)用的電弧檢測(cè)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(dāng)間隙保持閉合狀態(tài)時(shí)，一個(gè)穩(wěn)定的電流流過，電弧上幾乎檢測(cè)不到電壓。

　　然而，當(dāng)間隙打開且電弧持續(xù)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(xù)發(fā)生，間隙上的電壓回到設(shè)定值。

　　圖5.電弧間隙上的電壓波形的直流和交流分量

　　對(duì)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(shí)，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(shí)，又出現(xiàn)一個(gè)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(shí)，再次出現(xiàn)一個(gè)高瞬變。

　　電流信號(hào)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(duì)流過系統(tǒng)的電流的進(jìn)一步分析顯示：當(dāng)電弧存在時(shí)(圖8)，系統(tǒng)中存在高頻成分;當(dāng)電弧不存在時(shí)(圖9)，這些信號(hào)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(duì)電弧頻譜進(jìn)行分析也是有意義的。圖11顯示了系統(tǒng)中存在電弧時(shí)的頻譜。它在系統(tǒng)的基本電平以上是可見的。頻率較低時(shí)，電平較高，更易于檢測(cè)，但在這種較低電平時(shí)，存在系統(tǒng)開關(guān)元件，需要予以濾除以便檢測(cè)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(tǒng)的開關(guān)元件也以較低的幅度存在，因此電弧檢測(cè)更容易。在較高頻率區(qū)域，較低分辨率的ADC可能就足夠了。

　　圖11.無電弧頻譜

　　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(cè)到。

　　結(jié)語

　　必須根據(jù)下列要點(diǎn)解決直流電弧問題：

　　? 對(duì)象是可能產(chǎn)生電弧的系統(tǒng)和需要電弧檢測(cè)的電路。確保能檢測(cè)到所有電弧。

　　? 然后測(cè)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(shí)還能消除系統(tǒng)受到外部輻照所引起的電弧誤報(bào)。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(cè)可能需要(也可能不需要)多個(gè)獨(dú)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(zāi)擴(kuò)散。

　　? 本文討論了多項(xiàng)內(nèi)容，總結(jié)如下：

　　 光伏逆變器的電弧檢測(cè)是對(duì)新開發(fā)太陽能光伏逆變器的一項(xiàng)要求。

　　 起弧分析或電弧檢測(cè)主要是在電流域展開。

　　 測(cè)試都是在直流域中展開，采用符合UL1699B指令的試驗(yàn)裝置，它具有兩個(gè)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(cè)中可發(fā)揮重要作用，開發(fā)解決方案時(shí)應(yīng)予以考慮。

　　 電弧檢測(cè)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(cè)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(chǎng)上已有AFCI產(chǎn)品，其專門設(shè)計(jì)用于檢測(cè)交流電路中的電弧特征。

　　光伏逆變器的電弧檢測(cè)必須包含一種預(yù)測(cè)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(cè)需要做更多研究和分析。

　　參考文獻(xiàn)：

　　Haeberlin，Heinrich。光伏直流陣列中的電弧——潛在危險(xiǎn)和可能的解決方案。瑞士國際會(huì)議，2007年。

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

　　Norum，Lars E;Schimpf，F(xiàn)ritz。直流布線光伏系統(tǒng)中的電弧識(shí)別。挪威科技大學(xué)(NTNU)，2009年。

　　Sclocchi，Michele。危險(xiǎn)電弧故障檢測(cè)。National Semiconductor，2011年。

　　adsp-cm40x硬件參考。ADI公司，2015年。

　　再生能源發(fā)電網(wǎng)頁。ADI公司，2016年。

　　作者簡(jiǎn)介

　　Martin Murnane是愛爾蘭利默里克市ADI公司太陽能光伏團(tuán)隊(duì)成員。之前曾任職于ADI公司汽車團(tuán)隊(duì)。加入ADI公司之前，他曾從事過能源循環(huán)利用系統(tǒng)中應(yīng)用開發(fā)(Schaffner Systems)、基于Windows的應(yīng)用軟件/數(shù)據(jù)庫開發(fā)(Dell Computers)以及采用應(yīng)變計(jì)技術(shù)的產(chǎn)品開發(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。