光伏（PV）系統中的電弧檢測是未來太陽能設計的要求，因為光伏太陽能電池板安裝中可能發生新的危險，尤其是火災。本文介紹了對電弧檢測的需求、檢測方法的分析以及將電弧檢測集成到光伏逆變器設備和裝置中的可能解決方案。

背景

目前太陽能光伏裝置中使用的逆變器有兩種類型——微型逆變器和組串式逆變器。微型逆變器從一個面板轉換電力，而組串逆變器轉換來自多個面板或一串面板的電力。本文將重點介紹組串式逆變器的安裝方式。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流，該交流電流可以直接在家中使用，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裝置中，單個屋頂光伏組件串聯連接以形成這些串，而這些串又連接到可以處理兩到四個串的組串逆變器。此外，逆變器內部的最大功率點跟蹤器（MPPT）優化了光伏電池板和輸出之間的匹配，無論是家庭使用、電池存儲還是公用電網。

電弧是一種嚴重的疾病，可能發生在太陽能光伏和其他電流轉換應用中，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。電弧可能發生在光伏逆變器的直流和交流側。

例如，當高電流流動時，電纜斷開可能會導致直流電弧。使這個問題更加復雜的是，當太陽能電池上發生輻照度時，光伏陣列將連續提供電流。這可能導致連續電弧并導致火災。這使得光伏逆變器的直流側極易受到危險的影響。盡管需要斷開逆變器中的太陽能電池板，但這僅用于維護，而不是正常運行。

在應用的交流側，電弧可能會在零交越時自行熄滅，這使得光伏逆變器的交流側不太容易受到與電弧相關的風險的影響，因為它的交越每50 Hz或60 Hz發生一次。市場上還有電弧故障斷路器（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，并僅關閉逆變器的受影響區域，以確保設備的安全運行，而逆變器的其余部分則安全運行。此外，還應考慮光伏逆變器的啟動或關閉操作，就其與電弧相關的特性而言。

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。他們的測試方法集中在電壓域上以檢測電弧。他們還觀察到，當電弧燃燒時，光伏模塊上的電壓（通常為60 V）下降。電弧和測試兩端的電壓下降幅度為10 V。在電壓域進行分析的主要原因是在實驗中使用了低成本微控制器。否則，他們建議使用更強大的DSP分析電流信號的功率譜密度。

2007年，Swissolar在瑞士舉辦了題為“光伏直流陣列中的電弧——潛在危險和可能的解決方案”的國際研討會，介紹了直流電弧對MPPT跟蹤影響的一些有趣事實，并建議這應該在未來的電弧檢測機制中發揮重要作用。

圖1.電弧對MPPT的影響（Willi Vaassen，TüV）。

圖2顯示了產生的MPPT，具有1 mm、3 mm和6 mm的各種電弧間隙，導致性能大幅下降，正如預期的那樣。

圖2.電弧檢測對MPPT工作點的影響（Willi Vaassen，TüV）。

TüV的進一步調查顯示了由于MPPT跟蹤器中相同間隙大小而導致的工作點偏差。結果再次顯示MPPT性能大大降低。

針對擬議的直流電弧問題，建議的解決方案基于電流測量分析。檢測機制監控負載中的電流和接地電流。負載中的電流通過濾波器，該濾波器消除了除電弧特征頻率范圍之外的所有頻率范圍。然后進行信號調理并通過邏輯來關閉電弧源，即光伏模塊或光伏逆變器。

電弧檢測模擬

設置

圖3是電弧產生的可能設置，符合UL1699B標準。

圖3.電弧發生器。（ADI公司的照片來源，拍攝于利默里克工廠的太陽能實驗室。

光伏電源系統與電弧發生器和 1 Ω 鎮流電阻串聯，構成了測試系統設置的基礎。分析通過系統的電壓和電流，以了解可能的檢測機制。

圖4.弧形設置。

電壓波形分析

首先看一下電弧兩端的電壓，可以看到一些有趣的信息。電弧間隙打開時，間隙兩端的電壓約為71 V。當間隙閉合時，會出現一個小電弧，在圖5的曲線圖上可以看到間隙上有一個20 V的壓降。當間隙保持閉合時，穩定的電流流動，并且在電弧上檢測到很少的電壓。

圖5.電弧間隙上電壓波形的直流和交流分量。

但是，當間隙打開并且電弧以持續的方式開始時，可以看到間隙上出現20 V（大約）的壓降。該電壓保持不變，隨著間隙的增加，其兩端的電壓增加。在某個時間點，電弧將停止繼續，間隙兩端的電壓將恢復到其建立值。

對交流性能下的電壓波形的進一步分析顯示了更多信息。當間隙閉合且無電弧時，電壓波形上會發生瞬態，如圖6中紅色圈出的區域所示。

圖6.電弧間隙電壓的交流分析。

當電弧點燃并維持自身時，會發生另一個瞬態。隨著間隙的進一步打開，最初高頻分量似乎處于較低的幅度，但隨著間隙的擴大，它們的幅度增加，直到間隙如此之大（100 V/14 A為14 mm），電弧無法維持并停止。電弧停止時也存在高瞬態。

電流信號分析

看看通過系統的電流發生了什么，下面的波形是流過系統的電流的預覽。首先，當間隙閉合時，然后隨著間隙打開，最后當間隙太大而電流無法流動并且電弧完全停止時。

圖7.電流分析中 ARC 的直流和交流分量。

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

圖8.無電弧 — 無高頻分量。

圖9.電弧 - 存在高頻分量。

頻譜分析

對弧光譜的回顧也在這里很有趣。圖11顯示了系統中存在電弧的頻譜。它在系統的基本級別上方可見。在較低頻率下，電平較高且更容易檢測，但在此較低電平下，存在系統開關組件，需要濾除以檢測電弧特征。在頻率范圍的較低區域可能需要更高分辨率的ADC。

圖 10.電弧電流頻譜。

圖 11.無電弧光譜。

在較高頻率下，雖然電弧以較低的幅度存在，但系統的開關分量也以較低的幅度存在，因此電弧更容易檢測。在較高頻率區域，較低分辨率的ADC可能就足夠了。

另一個有價值的信息是，無論產生電弧的電流/電壓如何，圖11中的頻譜在相同條件下變化不大。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：

在系統中的哪個位置可能發生電弧，在電路中的哪個位置需要電弧檢測。這可確保檢測到所有電弧。

然后應測量電弧的強度或振幅。這是做出發生電弧的決定性決定所必需的。這也消除了由于外部輻射到相關系統上而導致的電弧錯誤觸發。因此，需要一種過濾機制來消除電弧的錯誤檢測。

確保同時考慮串聯和并聯電弧，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域中進行。

測試全部在直流域中使用符合UL1699B指令的測試夾具進行，該夾具帶有兩個固體電極，其中高電流（7 A至14 A）通過它們。然后將它們分開，直到出現電弧并不斷分離，直到它們相距足夠遠以至于電弧停止。

最大功率點跟蹤（MPPT）可能在電弧檢測中發揮重要作用，在開發解決方案時應考慮這一點。

電弧檢測可能會在較低的頻譜（100 kHz區域）中進行分析。電弧放電的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目前市場上有售，專門設計用于檢測交流電路中的電弧特征。

光伏逆變器中的電弧檢測必須包括一種預測電弧發生的方法，無論是在持續電弧發生之前還是在持續電弧壽命的早期，其中電弧源可以關閉。然后，光伏逆變器可以優雅地關閉，防止火災，并在可能的情況下損壞逆變器。

審核編輯：郭婷