大容量電池儲(chǔ)能系統(tǒng)共模干擾問題的分析研究

劉邦金，李勇琦，鐘朝現(xiàn)，葛 攀

（1.中國南方電網(wǎng)調(diào)峰調(diào)頻發(fā)電公司檢修試驗(yàn)中心，廣東 廣州 510630；2.東莞鉅威新能源股份有限公司，廣東 東莞 523808）

大容量電池儲(chǔ)能系統(tǒng)共模干擾問題的分析研究

劉邦金1，李勇琦1，鐘朝現(xiàn)1，葛 攀2

（1.中國南方電網(wǎng)調(diào)峰調(diào)頻發(fā)電公司檢修試驗(yàn)中心，廣東 廣州 510630；2.東莞鉅威新能源股份有限公司，廣東 東莞 523808）

應(yīng)用在電力系統(tǒng)中的大容量電池儲(chǔ)能系統(tǒng)，雖然各部組件在各自的測(cè)試環(huán)境中可以正常工作，符合相關(guān)的EMC要求，對(duì)干擾有一定的抵抗能力，但在相互配合的整體運(yùn)行過程中，卻存在著難以避免的干擾問題。共模干擾就是儲(chǔ)能系統(tǒng)調(diào)試運(yùn)行過程中無法避免的問題，是系統(tǒng)需要解決的重點(diǎn)和難點(diǎn)。本文就南方電網(wǎng)儲(chǔ)能系統(tǒng)調(diào)試運(yùn)行過程中的共模干擾進(jìn)行了分析研究，提出了處理這些干擾的方法。

電池儲(chǔ)能系統(tǒng)；能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)；電池管理系統(tǒng)；共模干擾

1 前言

進(jìn)入21世紀(jì)，由于石油、天然氣、煤炭等不可再生能源迅速地接近枯竭，中國乃至世界范圍內(nèi)對(duì)風(fēng)能、太陽能等新能源的大規(guī)模利用進(jìn)入了一個(gè)全新的發(fā)展時(shí)期。但是，風(fēng)能、光伏電站具有隨機(jī)性和間歇性特點(diǎn)，大量接入電網(wǎng)，對(duì)電網(wǎng)調(diào)峰和系統(tǒng)安全帶來巨大考驗(yàn)。儲(chǔ)能系統(tǒng)對(duì)于實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)運(yùn)營(yíng)的安全可靠、經(jīng)濟(jì)高效是不可或缺的。其在電網(wǎng)側(cè)能削峰填谷，提高電網(wǎng)設(shè)備的運(yùn)行效率；在發(fā)電側(cè)在很大程度上解決了新能源發(fā)電的隨機(jī)性、波動(dòng)性問題，可以實(shí)現(xiàn)新能源發(fā)電的平滑輸出。新經(jīng)濟(jì)發(fā)展下的電網(wǎng)對(duì)儲(chǔ)能裝置有著更加急迫的需求。因此，研究與推廣應(yīng)用儲(chǔ)能技術(shù)的重要性和緊迫性日益凸現(xiàn)。

電池儲(chǔ)能系統(tǒng)具有能量密度高、占地面積小、便于分散布置、建設(shè)周期短等優(yōu)點(diǎn)，近年來在電力系統(tǒng)中逐漸進(jìn)入示范應(yīng)用階段。應(yīng)用于電力系統(tǒng)中的大容量電池儲(chǔ)能系統(tǒng)，主要由電池堆、電池管理系統(tǒng)、變流器和監(jiān)控后臺(tái)組成，各部分在相互協(xié)調(diào)的工作中，難以避免會(huì)由于各種原因?qū)е鹿材８蓴_的相互傳導(dǎo)，從而影響系統(tǒng)的正常、穩(wěn)定工作。由于國內(nèi)外對(duì)于大容量電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的開發(fā)尚處于起步階段，針對(duì)此問題并沒有合適的研究成果可供參考。因此，研究電池儲(chǔ)能系統(tǒng)中共模干擾產(chǎn)生的源頭，采用合適的測(cè)量方法，分析并制定抑制干擾的方法，成為一項(xiàng)重要而有意義的工作。

2 共模干擾產(chǎn)生的原因及解決方法

2.1 共模干擾產(chǎn)生的原因

共模干擾是指同時(shí)加載在各個(gè)輸入信號(hào)接口端的共有的信號(hào)干擾，其干擾電壓在信號(hào)線及其回線上幅度相同，這里的電壓以附近任何一個(gè)物體（大地、設(shè)備機(jī)殼等）為參考單位，干擾電流回路是在導(dǎo)線與參考物體構(gòu)成的回路中流動(dòng)[1][2]，如圖1所示。

圖1 共模干擾電壓和電流

雷電流、短路電流或其他漏電電流等通過接地極時(shí)，引起的地電位升高和接地引線阻抗上的電壓降，外界電場(chǎng)對(duì)往、返引線的電場(chǎng)報(bào)合，外界磁場(chǎng)藕合(見感應(yīng)輻合)或輻射輻合引起的地環(huán)干擾(見抗干擾接地)等都可能引起共模干擾。

在直流電網(wǎng)中，如果其掛接了一些易產(chǎn)生干擾的電力電子設(shè)備，如PWM逆變器、斬波器等，這些電力電子設(shè)備工作時(shí)，其中的電力電子器件在高頻信號(hào)控制下的開關(guān)作用不可避免地會(huì)產(chǎn)生很高的du/dt和di/dt，由此產(chǎn)生嚴(yán)重的、急待解決的傳導(dǎo)干擾和輻射干擾問題。隨著技術(shù)的發(fā)展，逆變器、斬波器體積越來越小，其高頻寄生參數(shù)的影響越來越大，它會(huì)在輸入輸出電壓電流中產(chǎn)生高頻振蕩，這些高頻振蕩的信號(hào)就是共模干擾信號(hào)[3][4]。

在三相可控硅整流橋和逆變器中，IGBT會(huì)高頻率地通斷，由于存在各種各樣的寄生電容，使得高頻干擾電流可以通過大地流回到直流電源，產(chǎn)生接近于直流電壓的共模干擾電壓。

2.2 共模干擾的解決方法

常用的抑制共模干擾的方法以如下：

（1）保持良好的接地

接地是為了得到一個(gè)等電位點(diǎn)或面，它是電路或系統(tǒng)的基準(zhǔn)電位，但不一定為大地電位。為了安全起見，設(shè)備的外殼都接大地，保持零電位。但當(dāng)接地的方式處理不好，將形成地回路把干擾引入設(shè)備內(nèi)部。為提高設(shè)備電路的抗干擾能力，通信線的屏蔽層也需有一點(diǎn)接地，使之保持零電位，以切斷共模干擾電壓的泄漏途徑，使干擾無法進(jìn)入。

（2）采用變壓器或光耦器件等浮地保護(hù)技術(shù)

為提高電路的抗共模干擾能力，在后級(jí)電路與前級(jí)電路之間增加隔離變壓器或光耦隔離器件，這樣，即使前級(jí)電路存在對(duì)地的共模干擾，但不存在電氣的直接連接，后級(jí)電路由于只耦合了前級(jí)電路的信號(hào)，干擾信號(hào)因?yàn)槟芰坑邢蓿⒉荒荞詈系胶蠹?jí)電路，后級(jí)電路相對(duì)于地完全隔離，所以就不存在對(duì)地的共模電壓了，這種方式稱之為浮地保護(hù)技術(shù)。

（3）增加電路設(shè)計(jì)的抗干擾能力

一個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定程度取決于信號(hào)源、信號(hào)引線、負(fù)載的平衡以及其他雜散分布參數(shù)的平衡。為提高電路抗共模干擾能力，采取抗干擾能力強(qiáng)的元器件，并通過合理的電路設(shè)計(jì)，比如選用合適的和共模干擾同頻的電容濾干擾，或采用平衡措施使兩線路上所轉(zhuǎn)換的電壓相等，以此來降低耦合到負(fù)載上的該部分共模電壓。

（4）電源引入干擾的抑制

即使在電路中增加了隔離變壓器，變壓器也可能存在漏電流。為防止泄漏電流干擾，可將變壓器初級(jí)繞組放在屏蔽層之內(nèi)，并將屏蔽層接地，此時(shí)變壓器初級(jí)繞組上的相電壓通過對(duì)屏蔽層的分布電容，使漏電流直接流入地，而不再流入次級(jí)繞組，產(chǎn)生干擾。為防止電源變壓器引入干擾，采用三層屏蔽結(jié)構(gòu)，即電源變壓器初級(jí)屏蔽層直接與表殼接地，供電裝置的次級(jí)繞組與所有屏蔽層相接，電源的次級(jí)繞組屏蔽層與通信地處于等電位狀態(tài)。由電源引起的脈沖狀干擾，對(duì)數(shù)字電路有較大影響，應(yīng)在電源線路上加裝高頻濾波器，濾波器應(yīng)裝在輸入和輸出引線都經(jīng)過穿心電容進(jìn)行濾波的鐵制屏蔽盒內(nèi)[5]。

3 儲(chǔ)能系統(tǒng)中的共模干擾分析

3.1 共模干擾產(chǎn)生的問題

在儲(chǔ)能系統(tǒng)中，由于電池管理系統(tǒng)屬于低壓系統(tǒng)，而PCS承擔(dān)高壓交直流轉(zhuǎn)換功能，從共模干擾產(chǎn)生的原因來看，PCS是產(chǎn)生共模干擾的源頭，而受此干擾最嚴(yán)重的就屬于電池管理系統(tǒng)，PCS可以通過直流母線和地線直接把干擾傳導(dǎo)到電池管理系統(tǒng)內(nèi)部。電池管理系統(tǒng)受到干擾產(chǎn)生的問題如圖2和圖3所示，BCMS出現(xiàn)觸摸屏操作反應(yīng)遲鈍甚至通信中斷現(xiàn)象。

圖2 BCMS觸摸屏反應(yīng)極不靈敏

圖3 BCMS通信中斷死機(jī)

3.2 共模干擾的測(cè)試方法

測(cè)量?jī)?chǔ)能系統(tǒng)的電池管理系統(tǒng)所受到的共模干擾，可以在直流母線中間接兩個(gè)串聯(lián)的等值電阻，將示波器的探頭接在串聯(lián)電阻的中點(diǎn)，地線接機(jī)殼，如圖4所示。為了使示波器電源不受到干擾，保證測(cè)量的準(zhǔn)確性，需要在示波器電源端與市電插座間接隔離變壓。

圖4 共模測(cè)試連線圖

測(cè)量過程，需要通過PCS控制一個(gè)BC啟動(dòng)充放電，并逐漸增加充放電功率，查看示波器顯示波形有無變化，電池管理系統(tǒng)有無出現(xiàn)死機(jī)等異常狀況。

3.3 共模干擾分析

電池及電池管理系統(tǒng)和PCS從系統(tǒng)原理圖上看只有電池的正、負(fù)母線和接地三條線連接，如圖5，我們通過示波器可以觀測(cè)到中點(diǎn)對(duì)地共模電壓最高680V，最低-600V，頻率是3.2kHz,這個(gè)頻率剛好是PCS的工作頻率,并且屬于傳導(dǎo)性干擾，這個(gè)頻率是3.2kHz的共模干擾電壓電池很難把它濾掉，但是從PCS系統(tǒng)的原理圖可以看到，從電池的正負(fù)母線間并聯(lián)有很多的電容器，電容器是可以濾掉這些干擾的，所以，這個(gè)頻率是3.2kHz的共模干擾電壓是通過地線傳導(dǎo)過來的。我們通常認(rèn)為地線實(shí)際就是大地，應(yīng)該是最穩(wěn)定的。但是在這個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中可以明顯看出，它的地是浮動(dòng)的，系統(tǒng)的接地點(diǎn)在PCS端只是使用了2個(gè)100kΩ電阻的中間點(diǎn)，這個(gè)中間點(diǎn)實(shí)際只能給PCS的IGBT壓控元件提供電壓的基準(zhǔn)參考。這兩顆電阻是不能將地線電勢(shì)穩(wěn)定在電池的正、負(fù)母線間電壓中間電位的。在電池及電池管理系統(tǒng)這端，地線和電池正負(fù)母線間電位關(guān)系也沒有固定。所以在這個(gè)系統(tǒng)中，地線相對(duì)于電池的正、負(fù)母線的電勢(shì)差是按一定電壓值和3.2kHz的頻率在做上下擺動(dòng)，這就符合我們測(cè)量的共模電壓。

圖5 共模電壓波形（CH1通道）

3.4 三相逆變分析

從圖6的原理圖可以看出在三組IGBT切合時(shí)，A，B，C三點(diǎn)的電壓會(huì)交替和兩條電源母線的電位接近。當(dāng)PCS系統(tǒng)中控制三組IGBT單元的其他電路有接地或漏電時(shí)，會(huì)引起接地電位在電池的正負(fù)母線電位間擺動(dòng)。就會(huì)引起電池管理系統(tǒng)中的弱電部分工作異常。

圖6 AC/DC模塊原理圖

三相逆變電源在三相負(fù)載（電網(wǎng)）平衡時(shí)，可以獲得比較好的輸出特性。然而，在不平衡負(fù)載條件下，由于電源的相與相之間在電路和磁路上都存在著較強(qiáng)的耦合關(guān)系，以及逆變器輸出阻抗和濾波阻抗不能為零。這就影響到三相電源輸出的對(duì)稱性，負(fù)載（電網(wǎng)）的不平衡度越嚴(yán)重影響就越大。相位的不對(duì)稱隨之也引起線電壓的不對(duì)稱，從而可能對(duì)控制設(shè)備造成不良后果，以致使一些較敏感的設(shè)備不能正常工作。

圖7是兩組AC/DC模塊原理圖。兩組AC/DC模塊的A、B、C會(huì)分別并聯(lián)在一起。例如兩組AC/DC模塊的A點(diǎn)的上下臂（B點(diǎn)、C點(diǎn)也一樣）可以做到切合同步的話，此時(shí)干擾和一組AC/DC模塊的干擾應(yīng)該相同，但目前的系統(tǒng)中是不能實(shí)現(xiàn)的，這樣有可能產(chǎn)生PCS1的A點(diǎn)上臂閉合，PCS2的A點(diǎn)下臂閉合，此時(shí)會(huì)產(chǎn)生峰峰值為2N（N為電池組電壓）VAC的電壓。

圖7 兩組AC/DC模塊圖

所以當(dāng)兩組AC/DC模塊一同啟動(dòng)后，在使用共模測(cè)試方式下，應(yīng)該可以測(cè)到的共模干擾電壓在V=0～2N（N為電池組電壓）VAC。V的電壓和兩組AC/DC模塊的系統(tǒng)參數(shù)有關(guān)，比如逆變頻率等。

4 系統(tǒng)改進(jìn)方法

在系統(tǒng)的PCS和電網(wǎng)之間增加隔離變壓器，可以大大地減弱共模干擾對(duì)電池管理系統(tǒng)的影響，但這并不排除由于系統(tǒng)漏電，導(dǎo)致隔離變壓器不能起到很好的隔離作用，或者PCS自身的控制策略引起兩種AC/DC模塊的不同步切合。由于電池不能設(shè)置中間點(diǎn)接地，消除這種共模干擾，除了在PCS端進(jìn)行改善，還有兩個(gè)極端的方式，①接地電阻趨于零（短路），②接地電阻趨于無窮大（隔離）。

趨于零的辦法很難實(shí)現(xiàn)，但是可以使用濾波電容來實(shí)現(xiàn)，可以根據(jù)系統(tǒng)的共模干擾電壓的頻率選取兩只相同參數(shù)的高壓電解電容C1，C2按如圖8方式連接，只要選取的電容值合適，對(duì)于一定頻率的干擾電壓可以起到趨于零的效果。

趨于無窮大的辦法是將電池管理系統(tǒng)和PCS系統(tǒng)1間00隔 kΩ離，但由于BMU需要連接每一個(gè)電池單元，和電池母線必須有連接，所以隔離需要在BMU的CAN通訊和電源接口與前端電池連接端做隔離。電池管理系統(tǒng)中的其他電路也一樣要考慮整體隔離。

圖8 改進(jìn)的AC/DC濾波電路

5 結(jié)論

本文針對(duì)南方電網(wǎng)大容量?jī)?chǔ)能系統(tǒng)中遇到的共模干擾問題進(jìn)行了分析，提出了測(cè)試系統(tǒng)中共模干擾的方法，對(duì)產(chǎn)生的共模電壓進(jìn)行了分析，并指出了引起共模干擾的根本原因，給出了相應(yīng)的解決辦法。其分析和改進(jìn)方法對(duì)儲(chǔ)能系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及測(cè)試都有一定的指導(dǎo)意義，有利于大規(guī)模儲(chǔ)能系統(tǒng)的進(jìn)一步發(fā)展。

[1]陳偉華.電磁兼容實(shí)用手冊(cè)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1998.

[2]楊繼深.共模干擾和差模干擾[J].安全與電磁兼容，2002（2）.

[3]張 磊，馬偉明.三相可控整流橋系統(tǒng)共模干擾研究[J].中國電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2005，25（2）.

[4]單潮龍，馬偉明，王鐵軍，等.掛接三相逆變器的直流電網(wǎng)共模傳導(dǎo)干擾研究[J].中國電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2003，23（4）.

[5]趙金奎.共模干擾和差模干擾及其抵制技術(shù)[J].電子質(zhì)量，2006（5）.

TM910

A

1672-5387（2015）S-0085-04

10.13599/j.cnki.11-5130.2015.S.025

2015-10-22

劉邦金（1987-），男，工程師，從事電池儲(chǔ)能技術(shù)研究工作。