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基于LCL型升压变换器的光伏应用中利用频谱分析检测直流串联电弧故障能力
DC Series Arc Fault Detection Capability With Frequency Spectrum Analysis Using LCL-Type Boost Converter for PV Applications
| 作者 | Byungki Kim · Mina Kim · Wan Kim · Hwa-Pyeong Park |
| 期刊 | IEEE Transactions on Energy Conversion |
| 出版日期 | 2025年2月 |
| 技术分类 | 光伏发电技术 |
| 技术标签 | 故障诊断 |
| 相关度评分 | ★★★★★ 5.0 / 5.0 |
| 关键词 | 光伏面板 直流串联电弧故障 频谱分析 功率转换器 电弧故障检测 |
语言:
中文摘要
模块级电力电子技术可实现每个光伏(PV)面板的最大发电量。然而,这增加了光伏面板与直流/直流转换器之间发生电弧故障的可能性。损坏和松动的连接器可能引发直流串联电弧故障。此前,基于光伏电流的频域分析,如傅里叶变换和小波变换,被广泛用于串联电弧故障检测。然而,根据系统配置的不同,电弧故障检测性能并不稳定。本文基于功率转换器的阻抗,通过频谱分析来研究直流串联电弧故障检测能力。从电弧故障状态的特性来看,包含LCL型滤波器的升压转换器可在频域分析中明确电弧故障状态。在考虑串联电弧故障检测和功率转换的同时,对其工作原理和设计方法进行了分析。使用800瓦原型转换器的实验结果验证了通过频谱分析进行电弧故障检测的可行性。
English Abstract
Module level power electronics can achieve the maximum power generation for each photovoltaic (PV) panel. However, it increases the possibility of an arc fault between the PV panel and the DC/DC converter. The damaged and loose connector can induce the DC series arc fault condition. Previously, the frequency-domain analysis using PV current, such as Fourier transform and wavelet transform, was widely employed for series arc fault detection. However, the arc fault detection performance is not consistent according to the system configuration. This paper investigates the DC series arc fault capability using the frequency spectrum analysis based on the impedance of the power converter. From the characteristics of the arc fault condition, the boost converter comprising the LCL-type filter can clarify the arc fault condition in the frequency-domain analysis. The operational principle and design methods are analyzed while considering series arc fault detection and power conversion. The experimental results using an 800-W prototype converter can verify the arc fault detection using the frequency spectrum analysis.
S
SunView 深度解读
从阳光电源组件级电力电子产品和光伏系统安全角度分析,该论文提出的基于LCL型升压变换器的直流串联电弧故障检测技术具有重要的工程应用价值。
在组件级功率优化器(Module-Level Power Electronics)场景中,每块光伏组件配备独立DC/DC变换器虽能实现最大功率点跟踪,但确实增加了连接器松动或损坏导致串联电弧故障的风险点。传统基于傅里叶变换或小波变换的频域检测方法存在系统配置依赖性强、检测性能不稳定的问题,这在我司大规模部署的分布式光伏项目中是亟需解决的痛点。
该研究的创新点在于从变换器阻抗特性出发,利用LCL滤波器的频率选择特性来增强电弧故障的频谱特征辨识度。这种"硬件协同检测"思路为我司新一代组件级产品和智能组串式逆变器的电弧故障保护功能(AFCI)提供了差异化技术路径。相比纯软件算法,该方案通过优化功率拓扑结构本身提升检测可靠性,理论上可降低误报率,这对提升系统安全性和降低运维成本具有直接价值。
从技术成熟度看,800W原型验证表明概念可行,但工程化仍需关注:LCL滤波器会增加成本和体积,需在功率密度与检测性能间权衡;不同光照、温度、负载条件下的鲁棒性需大量实测数据支撑;与现有IEC 63027等电弧检测标准的兼容性需验证。
建议我司研发团队评估该技术在户用储能系统DC侧、工商业储能PCS直流输入端的应用潜力,结合AI算法形成软硬件融合的下一代安全防护方案,这将成为产品差异化竞争的重要技术储备。