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

电压波形分析
　　

首先关注电弧上的电压，我们可得出一些有意义的信息。电弧间隙打开时，间隙上的电压约为71 V。间隙闭合时，产生一个小电弧，图5显示间隙上的电压降低20 V。当间隙保持闭合状态时，一个稳定的电流流过，电弧上几乎检测不到电压。
　　

然而，当间隙打开且电弧持续发生时，可以看到间隙上的压降约为20 V。此电压保持不变，随着间隙增大，其上的电压会提高。在某一时间点，电弧不再继续发生，间隙上的电压回到设定值。

　　图5.电弧间隙上的电压波形的直流和交流分量
　　

对电压波形交流性能的进一步分析可揭示更多信息。当间隙闭合且没有电弧时，电压波形上出现瞬变，如图6中红圈区域所示。

图6.电弧间隙上电压的交流分析
　　

当电弧燃起并持续时，又出现一个瞬变。随着间隙进一步打开，最初高频分量的幅度看似较低，但随着间隙变宽，其幅度也增大，直至间隙过宽(100 V/14 A为14 mm)导致电弧不能维持自身而停止。当电弧停止时，再次出现一个高瞬变。
　　

电流信号分析
　　

现在看看经过系统的电流方面的情况，下面的波形是流经系统的电流的预览。最初间隙闭合，然后间隙打开，最后间隙过大导致电流无法流过，电弧完全停止。

　　图7.从电流分析得到的电弧直流和交流分量
　　

对流过系统的电流的进一步分析显示：当电弧存在时(图8)，系统中存在高频成分;当电弧不存在时(图9)，这些信号也不存在。

　　图8.无电弧——无高频成分

　　图9.有电弧——有高频成分
　　

频谱分析
　　

对电弧频谱进行分析也是有意义的。图11显示了系统中存在电弧时的频谱。它在系统的基本电平以上是可见的。频率较低时，电平较高，更易于检测，但在这种较低电平时，存在系统开关元件，需要予以滤除以便检测电弧特征。在频率范围的较低区域可能需要使用较高分辨率的ADC。

　　图10.电弧电流频谱
　　

频率较高时，虽然电弧以较低的幅度存在，但系统的开关元件也以较低的幅度存在，因此电弧检测更容易。在较高频率区域，较低分辨率的ADC可能就足够了。

　　图11.无电弧频谱
　　

还有一条有价值的信息，那就是在相同条件下，无论产生电弧的电流/电压为多大，图11中的频谱变化极小。这表明电弧具有一致性，因此系统中可以检测到。
　　

结语
　　

必须根据下列要点解决直流电弧问题：
 

对象是可能产生电弧的系统和需要电弧检测的电路。确保能检测到所有电弧。

然后测量电弧的强度或幅度。这是明确判断电弧是否产生所必需的，同时还能消除系统受到外部辐照所引起的电弧误报。因此，必须采用一种滤波机制来消除电弧误判。

确保串联和并联电弧均得到处理，完整检测可能需要(也可能不需要)多个独立电路。

确保电子电路也能自动或手动禁用光伏阵列和电网连接，以便阻止火灾扩散。

本文讨论了多项内容，总结如下：
　　

光伏逆变器的电弧检测是对新开发太阳能光伏逆变器的一项要求。
　　

起弧分析或电弧检测主要是在电流域展开。
　　

测试都是在直流域中展开，采用符合UL1699B指令的试验装置，它具有两个固体电极，大电流(7 A至14 A)通过其中。然后将其分开，直至电弧产生;再继续分开，直至距离足够远，电弧停止。
　　

最大功率点跟踪(MPPT)在电弧检测中可发挥重要作用，开发解决方案时应予以考虑。
　　

电弧检测可以在较低频谱(100 kHz区域)中进行分析。一种可能的电弧检测解决方案是使用100 kHz频谱的带通滤波器和ADSP-CM40系列内置ADC。
　　

目前市场上已有AFCI产品，其专门设计用于检测交流电路中的电弧特征。
　　

光伏逆变器的电弧检测必须包含一种预测电弧发生的方法，以便在持续电弧发生之前或持续电弧的寿命极早阶段提供预警，并且能关断电弧源。然后平稳地关断光伏逆变器，防止火灾和逆变器受损(如可能)。
　

围绕电弧预测需要做更多研究和分析。