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ADI助力新基建丨光伏系統(tǒng)的必備“技能”——電弧檢測

發(fā)布時間:2020-06-04 來源:亞德諾半導(dǎo)體 責任編輯:lina

【導(dǎo)讀】新基建風口之下,可再生能源產(chǎn)業(yè)無疑會迎來新的發(fā)展機遇。作為可再生能源中的“尖子生”,光伏發(fā)電在新基建概念中占據(jù)著不可或缺的地位,將在5G、特高壓、充電樁、大數(shù)據(jù)中心等細分領(lǐng)域中發(fā)揮重要作用。不過在技術(shù)方面,由于光伏(PV)太陽能面板設(shè)施有引發(fā)火災(zāi)風險的可能,所以太陽能設(shè)計要求光伏系統(tǒng)必須具備電弧檢測能力。
   
新基建風口之下,可再生能源產(chǎn)業(yè)無疑會迎來新的發(fā)展機遇。作為可再生能源中的“尖子生”,光伏發(fā)電在新基建概念中占據(jù)著不可或缺的地位,將在5G、特高壓、充電樁、大數(shù)據(jù)中心等細分領(lǐng)域中發(fā)揮重要作用。不過在技術(shù)方面,由于光伏(PV)太陽能面板設(shè)施有引發(fā)火災(zāi)風險的可能,所以太陽能設(shè)計要求光伏系統(tǒng)必須具備電弧檢測能力。
 
今天我們將說說電弧檢測需求的產(chǎn)生原因、對檢測方法進行分析,并提出了一種可能的解決方案來將電弧檢測集成到光伏逆變器設(shè)備和設(shè)施中。
 
直流電弧檢測——研究
 
挪威科技大學(NTNU)研究顯示,30 V的電壓即足以引起并維持電弧。他們的測試方法聚焦于電壓域以檢測電弧。他們還觀測到,當電弧燃燒時,光伏模塊上的電壓(典型值為60 V)下降。根據(jù)他們的電弧測試,壓降幅度約為10 V。電壓域分析的主要原因是實驗中使用了一個低成本微控制器。若非如此,他們建議使用更強大的DSP對電流信號的功率譜密度進行分析。
 
2007年,Swissolar在瑞士組織了一次名為“光伏直流陣列中的電弧——潛在危險和可能的解決方案”國際研討會,介紹了關(guān)于直流電弧對MPPT跟蹤的影響的一些有意義的情況,并建議未來的電弧檢測機制應(yīng)重點考慮這些情況。
 
ADI助力新基建丨光伏系統(tǒng)的必備“技能”——電弧檢測
圖1. 電弧對MPPT的影響(Willi Vaassen,TÜV)
 
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,性能降幅非常可觀。
 
ADI助力新基建丨光伏系統(tǒng)的必備“技能”——電弧檢測
圖2. 電弧檢測對MPPT工作點的影響(Willi Vaassen,TÜV)
 
TÜV的進一步研究顯示了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。檢測機制監(jiān)視負載中的電流和流至地的電流。負載中的電流通過一個濾波器,僅留下電弧特征頻率范圍。然后進行信號調(diào)理,并通過一個邏輯機制來關(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標準。
 
ADI助力新基建丨光伏系統(tǒng)的必備“技能”——電弧檢測
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)的電壓和電流進行分析,以探索可能的檢測機制。
 
ADI助力新基建丨光伏系統(tǒng)的必備“技能”——電弧檢測
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。
 
ADI助力新基建丨光伏系統(tǒng)的必備“技能”——電弧檢測
圖5. 電弧間隙上的電壓波形的直流和交流分量
 
然而,當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一步分析可揭示更多信息。當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。
 
ADI助力新基建丨光伏系統(tǒng)的必備“技能”——電弧檢測
圖6. 電弧間隙上電壓的交流分析
 
當電弧燃起并持續(xù)時,又出現(xiàn)一個瞬變。隨著間隙進一步打開,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。
 
ADI助力新基建丨光伏系統(tǒng)的必備“技能”——電弧檢測
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)的電流的進一步分析顯示:當電弧存在時(圖8),系統(tǒng)中存在高頻成分;當電弧不存在時(圖9),這些信號也不存在。
 
ADI助力新基建丨光伏系統(tǒng)的必備“技能”——電弧檢測
圖8. 無電弧——無高頻成分
 
ADI助力新基建丨光伏系統(tǒng)的必備“技能”——電弧檢測
圖9. 有電弧——有高頻成分
 
頻譜分析
 
對電弧頻譜進行分析也是有意義的。
 
ADI助力新基建丨光伏系統(tǒng)的必備“技能”——電弧檢測
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。
 
ADI助力新基建丨光伏系統(tǒng)的必備“技能”——電弧檢測
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,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)
 

 
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