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??捎^。
圖2. 電弧檢測對MPPT工作點的影響(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,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??;
? 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)。
(來源:亞德諾半導(dǎo)體)