ADI助力新基建丨光伏系统的必备“技能”——电弧检测

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。

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。

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

一个可能的电弧产生设置，其符合UL1699B标准。

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。

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，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。

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。

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。

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

频谱分析

对电弧频谱进行分析也是有意义的。

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。

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。

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，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

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。

• 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）。