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　　简介

　　由于光伏(PV)太阳能面板设施可能发生新的危险，尤其是火灾，所以未来的太阳能设计要求光伏系统具备电弧检测能力。本文说明了电弧检测需求的产生原因，对检测方法进行分析，并提出了一种可能的解决方案来将电弧检测集成到光伏逆变器设备和设施中。

　　背景

　　当今的太阳能光伏设施使用的逆变器有两类：微逆变器和组串式逆变器。微逆变器仅转换一个面板产生的电力，而组串式逆变器转换多个面板或一串面板产生的电力。本文重点讨论组串式逆变器类型的设施。这些设施中的功率逆变器系统将面板输出的直流电源转换为交流电流，以便可以直接在家中使用、储存于电池系统中或送回电网。在典型的住宅太阳能光伏设施中，屋顶的各个光伏模块串联连接，形成光伏串，并进而连接到可以处理两到四个光伏模块串的组串式逆变器。此外，针对家庭使用、电池储能或电网等不同情况，逆变器内部的最大功率点跟踪器(MPPT)优化光伏面板与输出之间的匹配度。

　　电弧是太阳能光伏和其他电流转换应用中可能发生的一种危险情况，有引发火灾的风险。对潜在起弧情况的检测和反应(系统关停)是此类系统必须具备的一项关键安全特性。太阳能逆变器的直流侧和交流侧均可能产生电弧。

　　例如，当电缆中有大电流通过时，断开这样的电缆可能引起直流电弧。另外，在太阳能电池发生辐照的同时，光伏阵列会持续供应电流，这使问题进一步复杂化，可能引发连续起弧，导致火灾。因此，光伏逆变器的直流侧非常容易发生危险。虽然逆变器有断开太阳能面板连接的要求，但这只是用于维护，而非正常工作。

　　在应用的交流侧，电弧在过零时可能会自动熄灭，过零事件每50 Hz或60 Hz发生一次，故而光伏逆变器的交流侧不大容易产生电弧相关的风险。另外，市场上有电弧故障断路器(AFCI)，用于检测交流电路中的电弧故障。

　　因此，电弧检测对太阳能光伏逆变器确实非常重要。

　　电弧检测应考虑检测光伏逆变器中的故障，并且仅关断受影响的逆变器区域以确保设备安全运行，逆变器的其余部分则照常安全工作。此外还应基于电弧相关性质，考虑光伏逆变器的启动或关断操作。

　　直流电弧检测——研究

　　挪威科技大学(NTNU)研究显示，30 V的电压即足以引起并维持电弧。他们的测试方法聚焦于电压域以检测电弧。他们还观测到，当电弧燃烧时，光伏模块上的电压(典型值为60 V)下降。根据他们的电弧测试，压降幅度约为10 V。电压域分析的主要原因是实验中使用了一个低成本微控制器。若非如此，他们建议使用更强大的DSP对电流信号的功率谱密度进行分析。

　　2007年，Swissolar在瑞士组织了一次名为“光伏直流阵列中的电弧——潜在危险和可能的解决方案”国际研讨会，介绍了关于直流电弧对MPPT跟踪的影响的一些有意义的情况，并建议未来的电弧检测机制应重点考虑这些情况。

　　图1.电弧对MPPT的影响(Willi Vaassen，TÜV)

　　太阳能应用的电弧检测分析

　　图2显示了不同电弧间隙(1 mm、3 mm和6 mm)对应的MPPT，同预期一样，性能降幅非常可观。

　　图2.电弧检测对MPPT工作点的影响(Willi Vaassen，TÜV)

　　TÜV的进一步研究显示了MPPT跟踪器中相同大小的间隙引起的工作点偏差。结果再次表明MPPT性能大幅降低。

　　对于这种直流电弧问题，建议解决方案是基于电流测量分析。检测机制监视负载中的电流和流至地的电流。负载中的电流通过一个滤波器，仅留下电弧特征频率范围。然后进行信号调理，并通过一个逻辑机制来关闭起弧源，即光伏模块或光伏逆变器。

　　电弧检测仿真

　　设置

　　图3是一个可能的电弧产生设置，其符合UL1699B标准。

　　图3.电弧发生器

　　(照片属ADI所有，拍摄于利默里克工厂太阳能实验室)

　　光伏电源系统与一个电弧发生器和一个1 Ω的镇流电阻串联，形成测试系统设置的基础。对通过系统的电压和电流进行分析，以探索可能的检测机制。

　　图4.电弧设置

关键词： 光伏 面板