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介紹

光伏（PV）系統中的電弧檢測是未來太陽能設計的一項要求，因為在PV太陽能電池板安裝中可能會發生新的危險，尤其是火災。本文介紹了產生電弧檢測的需求，檢測方法的分析以及將電弧檢測集成到PV逆變器設備和安裝中的可能解決方案。

背景

當前，太陽能光伏裝置中使用兩種類型的逆變器：微型逆變器和串式逆變器。微型逆變器從一個面板轉換電能，而串式逆變器則從多個面板或一串面板轉換電能。本文將重點介紹串式逆變器的安裝類型。這些裝置中的電源逆變器系統將面板輸出的直流電轉換為交流電，該交流電可直接在家庭中使用，存儲在電池系統中或發送回電網。在典型的住宅太陽能光伏設備中，單個屋頂光伏模塊串聯連接以形成這些串，這些串又與可處理兩到四個串的串逆變器連接。此外，

電弧放電是太陽能光伏發電和其他電流轉換應用中可能發生的嚴重情況，可能導致火災。對潛在電弧情況的檢測和反應（系統關閉）是這些系統所需的關鍵安全功能。PV逆變器的直流側和交流側都會產生電弧。

例如，斷開電纜的連接可能會在流過大電流時引起直流電弧。使這個問題更加復雜的是，當太陽能電池上發生輻照時，PV陣列將連續提供電流。這可能導致連續起弧并導致起火。這使得光伏逆變器的直流側極易受到危險的影響。盡管有必要斷開逆變器中太陽能電池板的連接，但這只是出于維護目的，而不是為了正常運行。

在應用的交流側，電弧可能會在零交叉時自行熄滅，這會使PV逆變器的交流側在每50 Hz或60 Hz發生一次交叉，因此不太容易產生與電弧相關的風險。市場上還可以買到電弧故障斷路器（AFCI），用于檢測交流電路中的電弧故障。

因此，電弧檢測確實是太陽能光伏逆變器非常重要的因素。

電弧檢測應考慮檢測光伏逆變器中的故障，并僅關閉逆變器受影響的區域，以確保設備安全運行，而逆變器的其余部分安全運行。此外，還應考慮PV逆變器的與電弧相關的特性，以使其啟動或關閉。

直流電弧檢測-調查

挪威科技大學（NTNU）的調查顯示，30 V的電壓足以啟動和維持電弧。他們的測試方法側重于電壓域以檢測電弧。他們還觀察到電弧燃燒時，PV模塊兩端的電壓（通常為60 V）下降。電弧兩端的電壓降以及用于測試的電壓降幅為10V。在電壓域中進行分析的主要原因是，實驗中使用了低成本的微控制器。否則，他們建議使用功能更強大的DSP分析電流信號的功率譜密度。

Swissolar于2007年在瑞士舉辦了一個國際研討會，名為“光伏直流陣列中的電弧放電-潛在危險和可能的解決方案”，介紹了一些有關DC電弧放電對MPPT跟蹤影響的有趣事實，并建議這應在以下方面發揮重要作用未來的電弧檢測機制。

圖2顯示了具有1 mm，3 mm和6 mm的各種弧隙的所得MPPT，這與預期的一樣，導致性能大大降低。

TüV的進一步調查顯示，由于MPPT跟蹤器中的間隙尺寸相同，導致工作點偏差。結果再次表明MPPT性能大大降低。

針對直流電弧的建議解決方案是基于電流測量分析的。檢測機構監視負載中的電流和接地電流。負載中的電流通過一個濾波器，該濾波器將去除除電弧簽名頻率范圍以外的所有頻率。然后，將其進行信號調理并通過邏輯以關閉電弧弧源（PV模塊或PV逆變器）。

電弧檢測模擬

設定

圖3是符合UL1699B的可能的電弧生成設置。

圖3.電弧發生器。（ADI的照片財產，在利默里克工廠的Solar Lab中拍攝。）

與電弧發生器和1Ω鎮流電阻器串聯的PV電力系統構成了測試系統設置的基礎。分析通過系統的電壓和電流以尋找可能的檢測機制。

電壓波形分析

首先看一下電弧上的電壓會顯示一些有趣的信息。在電弧間隙打開的情況下，間隙上的電壓約為71V。隨著間隙的閉合，會出現一個小的電弧，并且在圖5的圖中可以看到，間隙上的壓降為20V。當間隙保持閉合時，穩定的電流流動，并且在電弧上幾乎檢測不到電壓。

但是，隨著間隙的打開和電弧的持續放電，可以看到間隙上有20 V（大約）的壓降。該電壓保持不變，并且隨著間隙的增加，其兩端的電壓也會增加。在某個時間點，電弧將停止繼續，并且間隙上的電壓將返回到其設置值。

交流性能下的電壓波形的進一步分析顯示了更多信息。當間隙閉合且沒有電弧時，電壓波形會發生瞬變，如圖6中紅色圓圈所示。

電弧點燃并持續時會發生另一個瞬變。隨著間隙的進一步打開，最初高頻分量的幅值似乎較低，但是隨著間隙的增大，其幅度會增大，直到間隙變得如此之大（100 V / 14 A時為14毫米），電弧便無法維持并停止。隨著電弧的停止，還會出現高瞬變現象。

電流信號分析

查看有關流經系統電流的情況，下面的波形是流經系統電流的預覽。首先，當間隙閉合時，接著間隙打開，最后，當間隙太大而使電流無法流動且電弧完全停止時。

對流經系統的電流的進一步分析顯示，當存在電弧時（圖8），系統中存在高頻分量；在沒有電弧的情況下（圖9），不存在這些信號。

頻譜分析

電弧光譜的審查在這里也很重要。圖11顯示了系統中存在電弧的頻譜。在系統基本級別上方可見。在較低的頻率下，該級別較高且更易于檢測，但是在該較低的級別上，存在系統切換組件，需要將其過濾掉以檢測電弧簽名。在頻率范圍的較低區域可能需要更高分辨率的ADC。

在較高的頻率下，盡管電弧以較低的幅度出現，但是系統的開關組件也以較低的幅度出現，因此電弧更易于檢測。較低分辨率的ADC在較高的頻率范圍內可能就足夠了。

還有一點有價值的信息是，與產生電弧的電流/電壓無關，在相同條件下，圖11中的光譜變化很小。這表明電弧是一致的，因此可以在系統中檢測到。

結論

直流電弧的解決方案必須在以下標題下進行：

在系統中何處可能發生電弧，在電路中何處需要檢測電弧。這樣可以確保檢測到所有電弧。
然后應測量電弧強度或幅度。作出決定性的決定是否發生了電弧是必需的。這也消除了由于外界輻射到相關系統上而引起的誤觸發電弧。因此，需要一種過濾機制來消除對電弧的錯誤檢測。
確保考慮到串聯和并聯電弧，因為完整檢測可能需要也可能不需要單獨的電路。
確保電子電路還可以自動或手動禁用光伏陣列和與電網的連接，以阻止任何未決火災的蔓延。
本文檔中討論了許多項目，這些項目的摘要如下：
- 光伏逆變器中的電弧檢測是太陽能光伏逆變器新發展的要求。
- 電弧或電弧檢測的分析主要在當前領域中進行。
- 所有測試均在直流域中使用符合UL1699B指令的測試夾具進行，測試夾具帶有兩個實心電極，其中有大電流（7 A至14 A）通過它們。然后將它們分離，直到產生電弧為止，并不斷分離，直到它們相距足夠遠以至于電弧停止為止。
- 最大功率點跟蹤（MPPT）可能在電弧檢測中起重要作用，在開發解決方案時應予以考慮。
- 可能在較低的頻譜（100 kHz區域）中分析電弧檢測。產生電弧的一種可能解決方案是使用ADSP-CM40s內部ADC在100 kHz頻譜中使用帶通濾波器。
- AFCI現已在市場上出售，它們專門用于檢測交流電路中的電弧信號。