在全球能源日益紧张的大环境下,光伏发电作为可再生能源发电的重要组成部分,得到了国内外学术界和工业界的广泛关注。但是,光伏发电在快速发展的同时,也带来了一系列运行安全问题,电气火灾是其中之一。研究表明,串联直流电弧故障是引起光伏系统电气火灾的重要原因,占光伏系统电气火灾事故成因的40%以上。因而,准确检测并及时切断电弧故障是保障光伏系统安全运行亟待解决的问题。光伏系统串联直流电弧故障主要由电气连接部件松动或绝缘老化造成,所形成的故障点存在非常小的间隙,在间隙两端电压差的作用下形成温度极高的电弧放电,如果故障电弧不及时熄灭,极易引起火灾事故。论文以光伏系统串联直流故障电弧为研究对象,在分析光伏系统串联直流故障电弧产生机理与特征的基础上,对光伏系统串联直流故障电弧建模与故障识别方法开展研究工作。在光伏直流故障电弧发生机理与分类研究的基础上,根据UL1699B要求搭建光伏串联直流电弧故障试验平台,并制订相应试验方案。通过故障电弧电压电流数据分析,研究光伏系统串联直流故障电弧特性,包括故障电弧弧光特性、伏安特性等。同时,研究光伏阵列输出特性以及电极放电间隙对故障电弧特性的影响。光伏直流故障电弧通常经历从不稳定到稳定燃弧的发展过程,同时考虑故障电弧检测实时性要求,选取特征较为明显的电弧起始阶段进行故障电弧建模研究。分析光伏系统典型拓扑结构,建立两级式单相光伏并网逆变模型,包括光伏电池组件、DC-DC变换环节以及DC-AC并网逆变环节等。在电弧静态与动态模型分析的基础上,提出一种基于Cassie电弧模型的光伏系统串联直流故障电弧模型。该模型利用Cassie电弧模型表示故障电弧稳态趋势分量,采用高斯白噪声表征故障电弧暂态高频分量分布规律。利用该仿真模型进行故障电弧时域及频域特征分析,并用试验数据进行验证。在此基础上,提出一种基于模糊C均值聚类的电弧故障识别方法。该方法以故障电弧电流时域及频域特征量作为输入参量,其时域特征量为相邻窗口电流差值的峰峰值,频域特征量为电弧电流频谱10k Hz-30k Hz频段的谐波能量和。利用正常工作与电弧故障时电流聚类中心在时频域特征平面位置的差异,实现光伏系统串联直流故障电弧识别。仿真分析与试验结果表明,所提方法具有较高的故障电弧识别准确性。