大容量电池储能系统共模干扰问题的分析研究

2015-05-16刘邦金李勇琦钟朝现

水电站机电技术 2015年1期

关键词：共模电位储能

刘邦金，李勇琦，钟朝现，葛攀

（1.中国南方电网调峰调频发电公司检修试验中心，广东广州 510630；2.东莞钜威新能源股份有限公司，广东东莞 523808）

大容量电池储能系统共模干扰问题的分析研究

刘邦金1，李勇琦1，钟朝现1，葛攀2

（1.中国南方电网调峰调频发电公司检修试验中心，广东广州 510630；2.东莞钜威新能源股份有限公司，广东东莞 523808）

应用在电力系统中的大容量电池储能系统，虽然各部组件在各自的测试环境中可以正常工作，符合相关的EMC要求，对干扰有一定的抵抗能力，但在相互配合的整体运行过程中，却存在着难以避免的干扰问题。共模干扰就是储能系统调试运行过程中无法避免的问题，是系统需要解决的重点和难点。本文就南方电网储能系统调试运行过程中的共模干扰进行了分析研究，提出了处理这些干扰的方法。

电池储能系统；能量转换系统；电池管理系统；共模干扰

1 前言

进入21世纪，由于石油、天然气、煤炭等不可再生能源迅速地接近枯竭，中国乃至世界范围内对风能、太阳能等新能源的大规模利用进入了一个全新的发展时期。但是，风能、光伏电站具有随机性和间歇性特点，大量接入电网，对电网调峰和系统安全带来巨大考验。储能系统对于实现电网运营的安全可靠、经济高效是不可或缺的。其在电网侧能削峰填谷，提高电网设备的运行效率；在发电侧在很大程度上解决了新能源发电的随机性、波动性问题，可以实现新能源发电的平滑输出。新经济发展下的电网对储能装置有着更加急迫的需求。因此，研究与推广应用储能技术的重要性和紧迫性日益凸现。

电池储能系统具有能量密度高、占地面积小、便于分散布置、建设周期短等优点，近年来在电力系统中逐渐进入示范应用阶段。应用于电力系统中的大容量电池储能系统，主要由电池堆、电池管理系统、变流器和监控后台组成，各部分在相互协调的工作中，难以避免会由于各种原因导致共模干扰的相互传导，从而影响系统的正常、稳定工作。由于国内外对于大容量电池储能系统的开发尚处于起步阶段，针对此问题并没有合适的研究成果可供参考。因此，研究电池储能系统中共模干扰产生的源头，采用合适的测量方法，分析并制定抑制干扰的方法，成为一项重要而有意义的工作。

2 共模干扰产生的原因及解决方法

2.1 共模干扰产生的原因

共模干扰是指同时加载在各个输入信号接口端的共有的信号干扰，其干扰电压在信号线及其回线上幅度相同，这里的电压以附近任何一个物体（大地、设备机壳等）为参考单位，干扰电流回路是在导线与参考物体构成的回路中流动[1][2]，如图1所示。

图1 共模干扰电压和电流

雷电流、短路电流或其他漏电电流等通过接地极时，引起的地电位升高和接地引线阻抗上的电压降，外界电场对往、返引线的电场报合，外界磁场藕合(见感应辐合)或辐射辐合引起的地环干扰(见抗干扰接地)等都可能引起共模干扰。

在直流电网中，如果其挂接了一些易产生干扰的电力电子设备，如PWM逆变器、斩波器等，这些电力电子设备工作时，其中的电力电子器件在高频信号控制下的开关作用不可避免地会产生很高的du/dt和di/dt，由此产生严重的、急待解决的传导干扰和辐射干扰问题。随着技术的发展，逆变器、斩波器体积越来越小，其高频寄生参数的影响越来越大，它会在输入输出电压电流中产生高频振荡，这些高频振荡的信号就是共模干扰信号[3][4]。

在三相可控硅整流桥和逆变器中，IGBT会高频率地通断，由于存在各种各样的寄生电容，使得高频干扰电流可以通过大地流回到直流电源，产生接近于直流电压的共模干扰电压。

2.2 共模干扰的解决方法

常用的抑制共模干扰的方法以如下：

（1）保持良好的接地

接地是为了得到一个等电位点或面，它是电路或系统的基准电位，但不一定为大地电位。为了安全起见，设备的外壳都接大地，保持零电位。但当接地的方式处理不好，将形成地回路把干扰引入设备内部。为提高设备电路的抗干扰能力，通信线的屏蔽层也需有一点接地，使之保持零电位，以切断共模干扰电压的泄漏途径，使干扰无法进入。

（2）采用变压器或光耦器件等浮地保护技术

为提高电路的抗共模干扰能力，在后级电路与前级电路之间增加隔离变压器或光耦隔离器件，这样，即使前级电路存在对地的共模干扰，但不存在电气的直接连接，后级电路由于只耦合了前级电路的信号，干扰信号因为能量有限，并不能耦合到后级电路，后级电路相对于地完全隔离，所以就不存在对地的共模电压了，这种方式称之为浮地保护技术。

（3）增加电路设计的抗干扰能力

一个系统的稳定程度取决于信号源、信号引线、负载的平衡以及其他杂散分布参数的平衡。为提高电路抗共模干扰能力，采取抗干扰能力强的元器件，并通过合理的电路设计，比如选用合适的和共模干扰同频的电容滤干扰，或采用平衡措施使两线路上所转换的电压相等，以此来降低耦合到负载上的该部分共模电压。

（4）电源引入干扰的抑制

即使在电路中增加了隔离变压器，变压器也可能存在漏电流。为防止泄漏电流干扰，可将变压器初级绕组放在屏蔽层之内，并将屏蔽层接地，此时变压器初级绕组上的相电压通过对屏蔽层的分布电容，使漏电流直接流入地，而不再流入次级绕组，产生干扰。为防止电源变压器引入干扰，采用三层屏蔽结构，即电源变压器初级屏蔽层直接与表壳接地，供电装置的次级绕组与所有屏蔽层相接，电源的次级绕组屏蔽层与通信地处于等电位状态。由电源引起的脉冲状干扰，对数字电路有较大影响，应在电源线路上加装高频滤波器，滤波器应装在输入和输出引线都经过穿心电容进行滤波的铁制屏蔽盒内[5]。

3 储能系统中的共模干扰分析

3.1 共模干扰产生的问题

在储能系统中，由于电池管理系统属于低压系统，而PCS承担高压交直流转换功能，从共模干扰产生的原因来看，PCS是产生共模干扰的源头，而受此干扰最严重的就属于电池管理系统，PCS可以通过直流母线和地线直接把干扰传导到电池管理系统内部。电池管理系统受到干扰产生的问题如图2和图3所示，BCMS出现触摸屏操作反应迟钝甚至通信中断现象。

图2 BCMS触摸屏反应极不灵敏

图3 BCMS通信中断死机

3.2 共模干扰的测试方法

测量储能系统的电池管理系统所受到的共模干扰，可以在直流母线中间接两个串联的等值电阻，将示波器的探头接在串联电阻的中点，地线接机壳，如图4所示。为了使示波器电源不受到干扰，保证测量的准确性，需要在示波器电源端与市电插座间接隔离变压。

图4 共模测试连线图

测量过程，需要通过PCS控制一个BC启动充放电，并逐渐增加充放电功率，查看示波器显示波形有无变化，电池管理系统有无出现死机等异常状况。

3.3 共模干扰分析

电池及电池管理系统和PCS从系统原理图上看只有电池的正、负母线和接地三条线连接，如图5，我们通过示波器可以观测到中点对地共模电压最高680V，最低-600V，频率是3.2kHz,这个频率刚好是PCS的工作频率,并且属于传导性干扰，这个频率是3.2kHz的共模干扰电压电池很难把它滤掉，但是从PCS系统的原理图可以看到，从电池的正负母线间并联有很多的电容器，电容器是可以滤掉这些干扰的，所以，这个频率是3.2kHz的共模干扰电压是通过地线传导过来的。我们通常认为地线实际就是大地，应该是最稳定的。但是在这个系统的设计中可以明显看出，它的地是浮动的，系统的接地点在PCS端只是使用了2个100kΩ电阻的中间点，这个中间点实际只能给PCS的IGBT压控元件提供电压的基准参考。这两颗电阻是不能将地线电势稳定在电池的正、负母线间电压中间电位的。在电池及电池管理系统这端，地线和电池正负母线间电位关系也没有固定。所以在这个系统中，地线相对于电池的正、负母线的电势差是按一定电压值和3.2kHz的频率在做上下摆动，这就符合我们测量的共模电压。

图5 共模电压波形（CH1通道）

3.4 三相逆变分析

从图6的原理图可以看出在三组IGBT切合时，A，B，C三点的电压会交替和两条电源母线的电位接近。当PCS系统中控制三组IGBT单元的其他电路有接地或漏电时，会引起接地电位在电池的正负母线电位间摆动。就会引起电池管理系统中的弱电部分工作异常。

图6 AC/DC模块原理图

三相逆变电源在三相负载（电网）平衡时，可以获得比较好的输出特性。然而，在不平衡负载条件下，由于电源的相与相之间在电路和磁路上都存在着较强的耦合关系，以及逆变器输出阻抗和滤波阻抗不能为零。这就影响到三相电源输出的对称性，负载（电网）的不平衡度越严重影响就越大。相位的不对称随之也引起线电压的不对称，从而可能对控制设备造成不良后果，以致使一些较敏感的设备不能正常工作。

图7是两组AC/DC模块原理图。两组AC/DC模块的A、B、C会分别并联在一起。例如两组AC/DC模块的A点的上下臂（B点、C点也一样）可以做到切合同步的话，此时干扰和一组AC/DC模块的干扰应该相同，但目前的系统中是不能实现的，这样有可能产生PCS1的A点上臂闭合，PCS2的A点下臂闭合，此时会产生峰峰值为2N（N为电池组电压）VAC的电压。

图7 两组AC/DC模块图

所以当两组AC/DC模块一同启动后，在使用共模测试方式下，应该可以测到的共模干扰电压在V=0～2N（N为电池组电压）VAC。V的电压和两组AC/DC模块的系统参数有关，比如逆变频率等。

4 系统改进方法

在系统的PCS和电网之间增加隔离变压器，可以大大地减弱共模干扰对电池管理系统的影响，但这并不排除由于系统漏电，导致隔离变压器不能起到很好的隔离作用，或者PCS自身的控制策略引起两种AC/DC模块的不同步切合。由于电池不能设置中间点接地，消除这种共模干扰，除了在PCS端进行改善，还有两个极端的方式，①接地电阻趋于零（短路），②接地电阻趋于无穷大（隔离）。

趋于零的办法很难实现，但是可以使用滤波电容来实现，可以根据系统的共模干扰电压的频率选取两只相同参数的高压电解电容C1，C2按如图8方式连接，只要选取的电容值合适，对于一定频率的干扰电压可以起到趋于零的效果。

趋于无穷大的办法是将电池管理系统和PCS系统1间00隔 kΩ离，但由于BMU需要连接每一个电池单元，和电池母线必须有连接，所以隔离需要在BMU的CAN通讯和电源接口与前端电池连接端做隔离。电池管理系统中的其他电路也一样要考虑整体隔离。