Güneş uygulamaları için ark tespitinin analizi
Fotovoltaik (PV) güneş paneli tesislerinde, özellikle yangınlarda yeni tehlikeler ortaya çıkabileceğinden, gelecekteki güneş enerjisi tasarımı, ark algılama özellikli fotovoltaik sistemler gerektirir. Bu makale ark algılama ihtiyacının nedenlerini açıklar, algılama yöntemlerini analiz eder ve ark algılamayı fotovoltaik invertör ekipman ve tesislerine entegre etmek için olası bir çözüm önerir.
arka fon
Günümüzün fotovoltaik güneş tesislerinde kullanılan iki tür invertör vardır: mikro invertörler ve dizi invertörler. Mikro invertör yalnızca bir panel tarafından üretilen gücü dönüştürürken dizi invertörü birden fazla panel veya bir dizi panel tarafından üretilen gücü dönüştürür. Bu makale dizi inverter tipi tesislere odaklanmaktadır. Bu tesislerdeki güç çevirici sistemi, panelden gelen DC güç çıkışını AC akımına dönüştürerek doğrudan evde kullanılabilmekte, bir akü sisteminde saklanabilmekte veya şebekeye geri gönderilebilmektedir. Tipik bir konut güneş fotovoltaik tesisinde, çatıdaki çeşitli fotovoltaik modüller bir fotovoltaik dizi oluşturmak için seri olarak bağlanır ve ardından iki ila dört fotovoltaik modül dizisini işleyebilen bir dizi invertöre bağlanır. Ek olarak, inverterin içindeki maksimum güç noktası izleyici (MPPT), ev kullanımı, pil depolama veya elektrik şebekesi gibi farklı durumlar için fotovoltaik panel ile çıkış arasındaki eşleştirme derecesini optimize eder.
Ark, güneş fotovoltaik ve diğer akım dönüşüm uygulamalarında oluşabilecek tehlikeli bir durumdur ve yangın riski taşır. Potansiyel ark koşullarının tespiti ve yanıtlanması (sistemin kapanması), bu tür sistemlerin sahip olması gereken önemli bir güvenlik özelliğidir. Güneş inverterinin hem DC tarafında hem de AC tarafında arklar oluşabilir.
Örneğin, kablodan büyük bir akım geçtiğinde, bu tür bir kablonun bağlantısının kesilmesi bir DC arkına neden olabilir. Ek olarak, güneş pilleri ışınlanırken, fotovoltaik dizi akımı sağlamaya devam edecek ve bu da sorunu daha da karmaşık hale getirecek ve sürekli ark oluşumuna neden olarak yangına neden olabilir. Bu nedenle, fotovoltaik invertörün DC tarafı tehlikeye çok açıktır. Eviricinin güneş panelini ayırma gereksinimi olmasına rağmen, bu sadece bakım içindir, normal çalışma için değildir.
Uygulamanın AC tarafında, sıfır kesiştiğinde ark otomatik olarak söndürülebilir ve sıfır geçiş olayı her 50 Hz veya 60 Hz'de bir meydana gelir, bu nedenle fotovoltaik invertörün AC tarafı arkla ilgili risklere eğilimli değildir. Ek olarak, piyasada AC devrelerindeki ark arızalarını tespit etmek için ark arızası devre kesicileri (AFCI) bulunmaktadır.
Bu nedenle ark algılama, fotovoltaik güneş inverterleri için gerçekten çok önemlidir.
Ark tespiti, fotovoltaik invertördeki arızaları tespit etmeyi dikkate almalı ve ekipmanın güvenli çalışmasını sağlamak için yalnızca etkilenen inverter alanını kapatmalıdır; invertörün geri kalanı her zamanki gibi güvenli bir şekilde çalışacaktır. Ek olarak, fotovoltaik invertörün başlatma veya kapatma işlemi arkla ilgili özelliklere göre dikkate alınmalıdır.
DC ark algılama-araştırma
Norveç Bilim ve Teknoloji Üniversitesi (NTNU) tarafından yapılan araştırma, 30 V'luk bir voltajın bir ark oluşturmak ve sürdürmek için yeterli olduğunu göstermektedir. Test yöntemleri, arkları tespit etmek için voltaj alanına odaklanır. Ayrıca ark yandığında, fotovoltaik modüldeki (tipik olarak 60 V) voltajın düştüğünü gözlemlediler. Ark testlerine göre voltaj düşüşü yaklaşık 10 V'tur. Gerilim alanı analizinin ana nedeni, deneyde düşük maliyetli bir mikro denetleyicinin kullanılmasıdır. Değilse, mevcut sinyalin güç spektral yoğunluğunu analiz etmek için daha güçlü bir DSP kullanılmasını önerirler.
Swissolar, 2007 yılında İsviçre'de "Fotovoltaik DC Dizilerinde Ark-Potansiyel Tehlikeler ve Olası Çözümler" başlıklı uluslararası bir seminer düzenledi. DC arkların MPPT izleme üzerindeki etkisi hakkında bazı anlamlı bilgiler tanıttı ve Gelecekteki ark algılama mekanizmalarının bu durumlara odaklanması tavsiye edilir.
Şekil 1. Arkın MPPT'ye etkisi (Willi Vaassen, T? V)
Güneş uygulamaları için ark tespitinin analizi
Şekil 2, farklı ark aralıkları için MPPT'yi göstermektedir (1 mm, 3 mm ve 6 mm) Beklendiği gibi, performans düşüşü çok büyüktür.
Şekil 2. Ark algılamanın MPPT çalışma noktası üzerindeki etkisi (Willi Vaassen, TUV)
TUV tarafından yapılan daha fazla araştırma, MPPT izleyicisindeki aynı boyut boşluğunun neden olduğu çalışma noktasındaki sapmayı gösterdi. Sonuçlar yine MPPT performansının büyük ölçüde azaldığını göstermektedir.
Bu DC ark problemi için önerilen çözüm, mevcut ölçüm analizine dayanmaktadır. Algılama mekanizması, yükteki akımı ve zemine akan akımı izler. Yükteki akım bir filtreden geçer ve geriye sadece ark karakteristik frekans aralığı kalır. Ardından, sinyal koşullandırma gerçekleştirin ve ark kaynağını, yani fotovoltaik modülü veya fotovoltaik invertörü kapatmak için bir mantık mekanizması kullanın.
Ark algılama simülasyonu
Kurmak
Şekil 3, UL1699B standardıyla uyumlu olası bir ark oluşturma ayarıdır.
Şekil 3. Ark üreteci
(Fotoğraf, Limerick fabrikası güneş laboratuvarında çekilmiş ADI'ye aittir)
Fotovoltaik güç sistemi, test sistemi kurulumunun temelini oluşturmak için bir ark jeneratörü ve 1 balast direnci ile seri olarak bağlanmıştır. Olası algılama mekanizmalarını keşfetmek için sistemden geçen voltaj ve akımı analiz edin.
Şekil 4. Ark ayarları
Gerilim dalga formu analizi
Önce ark üzerindeki gerilime odaklanarak, bazı anlamlı bilgiler elde edebiliriz. Ark aralığı açık olduğunda, boşluktaki voltaj yaklaşık 71 V'tur. Boşluk kapatıldığında, küçük bir ark oluşur.Şekil 5, boşluk boyunca voltajın 20 V düştüğünü göstermektedir. Boşluk kapalı kaldığında, sabit bir akım akar ve arkta neredeyse hiç voltaj algılanmaz.
Bununla birlikte, boşluk açıldığında ve ark oluşmaya devam ettiğinde, boşluk boyunca voltaj düşüşünün yaklaşık 20 V olduğu görülebilir. Bu voltaj sabit kalır ve boşluk arttıkça, üzerindeki voltaj artar. Zamanın belirli bir noktasında ark artık oluşmaz ve boşluktaki voltaj ayarlanan değere geri döner.
Şekil 5. Ark boşluğundaki voltaj dalga formunun DC ve AC bileşenleri
Gerilim dalga biçiminin AC performansının daha fazla analizi daha fazla bilgi ortaya çıkarabilir. Boşluk kapatıldığında ve ark olmadığında, Şekil 6'daki kırmızı daire alanında gösterildiği gibi voltaj dalga formunda geçici olaylar görünür.
Şekil 6. Ark boşluğundaki voltajın AC analizi
Ark tutuşup devam ettiğinde, başka bir geçici olay meydana geldi. Boşluk daha fazla açıldıkça, yüksek frekanslı bileşenlerin genliği ilk başta düşük gibi görünmektedir, ancak boşluk genişledikçe, genliği de boşluk çok geniş olana kadar (100 V / 14 A, 14 mm) artarak arkın kendini korumasına neden olur. Dur. Ark durduğunda, tekrar yüksek bir geçiş meydana gelir.
Mevcut sinyal analizi
Şimdi sistemden geçen akım akışına bakın Aşağıdaki dalga formu, sistemden geçen akım akışının bir önizlemesidir. Önce boşluk kapatılır, ardından boşluk açılır ve son olarak boşluk akımın akmasına izin vermeyecek kadar büyüktür ve ark tamamen durur.
Şekil 7. Mevcut analizden elde edilen Ark DC ve AC bileşenleri
Sistemden geçen akımın daha ileri analizi, ark olduğunda (Şekil 8), sistemde yüksek frekans bileşenlerinin bulunduğunu; ark olmadığında (Şekil 9), bu sinyallerin de olmadığını göstermektedir.
Şekil 8. Ark yok - yüksek frekans bileşenleri yok
Şekil 9. Ark var - yüksek frekans bileşeni var
Spektrum analizi
Ark spektrumunu analiz etmek de anlamlıdır. Şekil 11, sistemde bir ark olduğunda frekans spektrumunu göstermektedir. Sistemin temel seviyesinin üzerinde görülebilir. Frekans daha düşük olduğunda, seviye daha yüksektir ve tespit edilmesi daha kolaydır, ancak bu düşük seviyede, ark karakteristiklerini tespit etmek için filtrelenmesi gereken sistem anahtarlama elemanları vardır. Frekans aralığının daha düşük bölgelerinde daha yüksek çözünürlüklü bir ADC gerekli olabilir.
Şekil 10. Ark akımı spektrumu
Frekans daha yüksek olduğunda, ark daha düşük bir genlikle mevcut olmasına rağmen, sistemin anahtarlama elemanları da daha düşük bir genlikte mevcuttur, bu nedenle ark tespiti daha kolaydır. Daha yüksek frekans bölgesinde, daha düşük çözünürlüklü bir ADC yeterli olabilir.
Şekil 11. Ark spektrumu yok
Bir de değerli bilgiler var, yani aynı koşullar altında, arkı oluşturan akım / voltaj ne kadar büyük olursa olsun, Şekil 11'deki frekans spektrumu çok az değişiyor. Bu, arkın tutarlı olduğunu ve böylece sistemde tespit edilebileceğini gösterir.
Sonuç
DC ark problemi aşağıdaki noktalara göre çözülmelidir:
-
Hedefler, ark tespiti gerektiren arklar ve devreler oluşturabilen sistemlerdir. Tüm arkların tespit edilebildiğinden emin olun.
-
Ardından yayın yoğunluğunu veya genliğini ölçün.
-
Bu, arkın üretilip üretilmediğini açıkça belirlemek için gereklidir ve aynı zamanda, sistemin harici radyasyonunun neden olduğu arkın yanlış alarmını ortadan kaldırabilir. Bu nedenle, yanlış ark kararlarını ortadan kaldırmak için bir filtreleme mekanizması kullanılmalıdır.
-
Hem seri hem de paralel arkların işlendiğinden emin olmak için, tam bir inceleme birden fazla bağımsız devre gerektirebilir veya gerektirmeyebilir.
-
Yangının yayılmasını önlemek için elektronik devrenin PV dizisini ve şebeke bağlantısını otomatik veya manuel olarak devre dışı bırakabildiğinden emin olun.
-
Bu makale, aşağıdaki gibi özetlenen bir dizi konuyu tartıştı:
Fotovoltaik inverterlerin ark tespiti, yeni geliştirilen solar fotovoltaik inverterler için bir gerekliliktir.
Ark başlatma analizi veya ark tespiti esas olarak mevcut alanda gerçekleştirilir.
Testler, içinden büyük bir akımın (7 A ila 14 A) geçtiği iki katı elektrota sahip olan UL1699B direktifine uygun bir test cihazı kullanılarak DC alanında gerçekleştirilir. Ardından ark oluşana kadar onları ayırın; mesafe yeterince uzaklaşana ve ark durana kadar onları ayırmaya devam edin.
Maksimum güç noktası izleme (MPPT), ark tespitinde önemli bir rol oynayabilir ve çözümler geliştirirken dikkate alınmalıdır.
Ark tespiti alt frekans spektrumunda (100 kHz bölgesi) analiz edilebilir. Olası bir ark algılama çözümü, 100 kHz spektrumlu bir bant geçiren filtre ve ADSP-CM40 serisi yerleşik ADC kullanmaktır.
Şu anda piyasada, AC devrelerindeki ark özelliklerini tespit etmek için özel olarak tasarlanmış AFCI ürünleri bulunmaktadır.
Fotovoltaik invertörün ark tespiti, sürekli arkın oluşmasından veya sürekli arkın ömrünün çok erken aşamasından önce erken uyarı sağlamak ve ark kaynağını kapatmak için bir ark oluşumunu tahmin etmek için bir yöntem içermelidir. Ardından, yangını ve sürücü hasarını (mümkünse) önlemek için fotovoltaik invertörü sorunsuz bir şekilde kapatın.
Yay tahmini hakkında daha fazla araştırma ve analize ihtiyaç vardır.
Referanslar:
Haeberlin, Heinrich. Fotovoltaik DC dizilerindeki arklar - potansiyel tehlikeler ve olası çözümler. İsviçre Uluslararası Konferansı, 2007.
Norum, Lars E; Schimpf, Fritz. Fotovoltaik sistemde arklanma olasılığını önleyin. Norveç Bilim ve Teknoloji Üniversitesi (NTNU), 2009.
Norum, Lars E; Schimpf, Fritz. DC kablolama fotovoltaik sistemlerinde ark tanıma. Norveç Bilim ve Teknoloji Üniversitesi (NTNU), 2009.
Sclocchi, Michele. Tehlikeli ark hatası tespiti. National Semiconductor, 2011.
adsp-cm40x donanım başvurusu. Analog Cihazlar, 2015.
Yenilenebilir enerji enerji üretimi web sayfası. Analog Cihazlar, 2016.
yazar hakkında
Martin Murnane, ADI'nin İrlanda Limerick'teki güneş fotovoltaik ekibinin bir üyesidir. Daha önce ADI'nin otomotiv ekibinde çalıştı. ADI'ye katılmadan önce, enerji geri dönüşüm sistemlerinde uygulama geliştirme (Schaffner Sistemleri), Windows tabanlı uygulama yazılımı / veritabanı geliştirme (Dell Bilgisayarlar) ve gerinim ölçer teknolojisini kullanarak ürün geliştirme (BMS) alanlarında çalışmıştır. Elektrik mühendisliği diplomasına ve Limerick Üniversitesi'nden MBA derecesine sahiptir.
