儲能站動力電池逆變單元過電壓保護(hù)方案優(yōu)化研究

　　摘 要：針對現(xiàn)有儲能站動力電池逆變單元關(guān)鍵部位過電壓保護(hù)手段的不足進(jìn)行了分析，指出在直流疊加高頻交流的特殊電壓環(huán)境下，現(xiàn)有過電壓保護(hù)裝置應(yīng)用中存在的問題，并對此提出了一種將 TVS 二極管正向與氧化鋅避雷器復(fù)合組成的新型過電壓保護(hù)方案，該方案在維持了既有氧化鋅避雷器優(yōu)點的同時，克服了其電容電流過大的弊病，為儲能站等新能源應(yīng)用領(lǐng)域的過電壓防雷保護(hù)提供了新的思路。

　　關(guān)鍵詞：儲能站;動力電池;氧化鋅避雷器;TVS 二極管;電容電流

　　楊歡紅; 洪雨; 史博文; 謝明洋; 朱子葉; 余威 電瓷避雷器 2021-12-17

　　0 引言

　　隨著新能源技術(shù)的發(fā)展，為了吸納更多的風(fēng)電、光伏等高隨機(jī)性負(fù)荷接入電網(wǎng)，儲能站、虛擬電站的建設(shè)日益增多。 絕大部分儲能站規(guī)模較小，利用動力電池或舊動力電池梯級來實現(xiàn)電網(wǎng)有功的輔助調(diào)節(jié)。 儲能站需要大容量的 AC - DC 轉(zhuǎn)換的逆變系統(tǒng)，由于儲能站逆變單元關(guān)鍵部位如直流母線、功率器件等[1]，其兩端長時間處在含有大量交流成分的直流電壓環(huán)境，很難實現(xiàn)過電壓保護(hù)設(shè)備的配置，因此儲能站經(jīng)常遭受雷擊造成嚴(yán)重受損。本研究立足實際，提出了一種將 TVS 二極管正向與氧化鋅避雷器復(fù)合組成的新型過電壓保護(hù)方案[2]，能較好地滿足復(fù)雜電壓環(huán)境下過電壓保護(hù)的需求。

　　1 儲能站動力電池逆變單元1. 1 逆變單元電路結(jié)構(gòu)

　　常規(guī)儲能站動力電池的逆變單元電路見圖 1，為了控制靈活與盡可能少產(chǎn)生諧波，一般采用全控型器件的 PWM 換流器，通過改變功率器件的觸發(fā)信號，可實現(xiàn)整流、逆變與無功的同時一體化控制，從而滿足儲能站對電網(wǎng)的頻率電壓動態(tài)快速補償。 逆變單元的直流側(cè)一般采用動力電池儲能，也可接入風(fēng)機(jī)、光伏等新能源設(shè)備，通過逆變單元實現(xiàn)與交流電網(wǎng)的聯(lián)絡(luò)。 然而對于此類新能源設(shè)備，其過電壓保護(hù)的研究較少，工程中一般在屏柜的入口端設(shè)置普通 SPD 實現(xiàn)侵入波保護(hù)，但難以防范嚴(yán)重的大氣過電壓或操作過電壓。 雖然大部分儲能站電壓等級低、容量小，但由于大量使用 IGBT 類功率半導(dǎo)體器件，實際過電壓抵御能力十分薄弱[3 - 4]。

　　1. 2 電池逆變單元過電壓保護(hù)設(shè)置

　　電力電子設(shè)備的過電壓保護(hù)，除了交流電源入口段的保護(hù)，更應(yīng)注意功率器件以及直流母線的過電壓保護(hù)。 由于半導(dǎo)體器件承受過電壓侵入波，發(fā)生不可逆轉(zhuǎn)失效的時間常數(shù)一般僅僅幾秒，因此很多電力電子設(shè)備均在功率半導(dǎo)體器件的陰極陽極之間，直接并聯(lián)過電壓保護(hù)裝置，實現(xiàn)電壓鉗位;對于直流側(cè)配置動力電池組的儲能站，由于大量汽車剩余的廢舊鋰電池組的接入，更需要考慮過電壓侵入波引發(fā)電池?fù)舸┍ㄆ鸹鸬膯栴}，因此在直流側(cè)，包括直流母線以及蓄電池室入口端，均應(yīng)配置過電壓保護(hù)器進(jìn)行電壓鉗位。

　　對于高電壓的級聯(lián)型逆變單元，也應(yīng)按此思路，在每一個功率管的陰陽極之間，以及總直流母線，并聯(lián)過電壓保護(hù)裝置。

　　2 電池逆變單元過電壓保護(hù)配置的問題2. 1 過電壓保護(hù)安裝處的電壓環(huán)境

　　對于功率較大的電池逆變單元，設(shè)置通流容量足夠的過電壓保護(hù)措施存在不少問題。 首先是安裝處的電壓環(huán)境。 在功率半導(dǎo)體器件的陰極陽極之間，由于功率管不斷開關(guān)，兩端電壓呈現(xiàn)出高頻率的高低跳變，見圖 2，無論采用軟開關(guān)控制還是直接斬波，功率管兩端的電壓 Vc 均是在快速跳變的，這個電壓是一個直流與高頻交流疊加的電壓，并且該電壓還會因逆變器不同的占空比，發(fā)生較大的幅值波形變化，在這種特殊的電壓環(huán)境下，如何選取過電壓保護(hù)設(shè)備，是一個難題[5 - 6]。

　　在電池逆變單元的直流側(cè)，由于有電池與平波電抗器、電容器的平滑作用，其直流成分中的交流脈動成分大為減弱，但是在一些特殊工況下，交流成分也并不少，見圖 3，直流波形里疊加了很多高頻毛刺狀信號，這些高頻交流成分雖然幅值不大但頻率高，過電壓保護(hù)設(shè)備如果頻率特性不佳，很可能因電容電流引發(fā)其他問題。 因此如何選取過電壓保護(hù)設(shè)備，同樣是難題[7]。

　　2. 2 現(xiàn)有過電壓保護(hù)設(shè)備的特點分析2. 2. 1 氣體放電管

　　氣體放電管是最經(jīng)濟(jì)、廉價的過電壓保護(hù)設(shè)備，缺點主要在于無法切斷續(xù)流、響應(yīng)速度慢、有截波過電壓，一般半導(dǎo)體器件的瞬時過電壓承受時間窗口僅僅數(shù)秒，而氣體放電管的伏秒特性顯然無法滿足保護(hù)要求。

　　2. 2. 2 氧化鋅壓敏電阻

　　氧化鋅材料是通用性最好、應(yīng)用最為普遍的過電壓保護(hù)材料，具備通流容量大、保護(hù)特性好、價格低廉等優(yōu)點，但氧化鋅避雷器在交流場合應(yīng)用時，普遍存在電容電流大于阻性泄漏電流的問題。 在基于電壓源換流器的逆變裝置場合，由于電路工作頻率遠(yuǎn)高于工頻，氧化鋅材料較大的寄生電容將引發(fā)功率管大量附加損耗，可能會導(dǎo)致功率器件無法正常工作。 現(xiàn)以常用的 HY1. 5W - 0. 5 / 2. 6 - 380避雷器為例，其工頻 380 V 下泄漏電流約 0. 1 mA，當(dāng)電源頻率提高至 20 kHz 后，等電壓下電容電流將變?yōu)?40 mA，這可能已經(jīng)超過了功率管阻尼元件的電流，顯然將引起很大的功率損耗，嚴(yán)重影響功率管的壽命[8 - 10]。 因此，將氧化鋅壓敏元件用于逆變單元的功率器件保護(hù)，尚存在困難。

　　2. 2. 3 瞬態(tài)電壓抑制二極管

　　瞬態(tài)電壓抑制二極管即 TVS 二極管，與穩(wěn)壓二極管工作原理相似，一旦高于門檻電壓就會導(dǎo)通，與穩(wěn)壓二極管相比，TVS 二極管有更高的通流能力。 TVS 二極管的兩極受到反向瞬態(tài)高能量沖擊時，以納秒級速度，將兩極間的高阻抗變?yōu)榈妥杩?，同時吸收高達(dá)數(shù)千瓦的浪涌功率、使電壓箝位于一個安全值，保護(hù)器件免受浪涌脈沖的破壞[11 - 12]。TVS 能承受的瞬時脈沖功率可達(dá)上千瓦。 瞬態(tài)電壓抑制二極管的保護(hù)特性與動作速度均很好，但最大的問題在于容量小，一般最大脈沖浪涌電流僅僅數(shù)千安，對于大功率逆變器，需要大量并聯(lián)才能滿足要求，實際使用不夠方便。

　　3 新型過電壓保護(hù)配置方案3. 1 方案設(shè)計思路

　　儲能站功率逆變單元的避雷器安裝場合有個共同點，就是安裝處的電壓為脈動直流，直流成分里雖然有交流，但負(fù)極電壓不會高過正極，即過電壓保護(hù)器只需要設(shè)計成單向直流工作。 鑒于此，我們可使用直流氧化鋅避雷器，通過一定的改進(jìn)，堵塞電容電流，即可起到很好的保護(hù)效果。 因此我們提出一種“TVS 二極管正向串聯(lián)氧化鋅避雷器” 的保護(hù)方案，該方案見圖 4，通過一個有較強脈沖電流通流能力的二極管，與相應(yīng)氧化鋅避雷器串聯(lián)，通過二極管的整流作用，使得加在避雷器兩端的電流極性不可翻轉(zhuǎn)，從而使電容電流消失。

　　3. 2 二極管的選擇

　　氧化鋅避雷器的方波通流能力可達(dá)數(shù)百安，一般整流二極管的額定電流僅僅幾安，按十倍浪涌電流承受能力計算也達(dá)不到避雷器極端情況下的放電電流，并且普通整流二極管結(jié)電容很大，無法實現(xiàn)隔離避雷器電容電流的作用。 因此，選擇合適種類的二極管，是方案設(shè)計成敗的關(guān)鍵。瞬態(tài)電壓抑制二極管通常在反向電壓下其電壓鉗位保護(hù)作用，一般以其單位時間的熱穩(wěn)定功率作為其最大通流能力的額定值，而瞬態(tài)電壓抑制二極管在正向電壓作用下，由于其正向?qū)〞r的 PN結(jié)壓降與普通二極管無異，僅 0. 7 V，因此正向?qū)〞r的瞬時耗散功率，將達(dá)到非?？捎^的程度。 例如額定電壓 500 V、最大浪涌電流 100 A 的 TVS 二極管，正向的浪涌電流可達(dá) 60 kA 以上，考慮到這種特殊工況下的冗余，數(shù)個 TVS 二極管并聯(lián)也足以滿足要求。 另一方面是，TVS 二極管的結(jié)電容在皮法級，因此對電容電流的隔離效果十分顯著[13 - 15]。

　　3. 3 保護(hù)裝置的狀態(tài)監(jiān)測

　　氧化鋅避雷器在應(yīng)用中存在老化趨勢，在儲能站逆變單元中使用時，由于電壓環(huán)境復(fù)雜，更需要設(shè)置在線監(jiān)測手段，觀測其泄漏電流[16]。 在很多直流換流站、電氣化鐵道等場合，直流避雷器的泄漏電流監(jiān)測常常存在嚴(yán)重誤差，當(dāng)基波直流成分較多，諧波呈現(xiàn)為疊加在直流分量上的紋波，此時整流系電表測得的有效值與實際直流阻性限流誤差很小，使用常規(guī)交流監(jiān)測表問題不大。 然而當(dāng)基波直流成分較少，整體泄漏電流呈現(xiàn)為交流(電流瞬時值位于時間軸兩側(cè)時)，整流系電表將會使位于坐標(biāo)軸下方的交流分量整流為直流翻轉(zhuǎn)到坐標(biāo)軸上方，此時顯然交流分量也會被計入表計的有效值顯示出來，此時的誤差很大，此時使用交流監(jiān)測表無疑失去了監(jiān)測的意義[17 - 20]。

　　如果采用 TVS 二極管正向串聯(lián)氧化鋅避雷器方案，由于將絕大部分電容電流堵塞，流過泄漏電流監(jiān)測表的電流均為阻性電流，因此監(jiān)測結(jié)果也準(zhǔn)確得多，可見本方案對于儲能站等特殊場合避雷器的監(jiān)測，也帶來了極大的幫助。

　　4 現(xiàn)場試驗結(jié)果

　　根據(jù)上文的分析結(jié)果，設(shè)計了新型避雷器樣機(jī)，對其測試了方波通流能力、以及不同頻率下的泄漏電流，因低電壓直流專用避雷器較少見，且低壓環(huán)境直流與交流避雷器常常換用，因此以常用交流避雷器設(shè)計樣機(jī)，試驗結(jié)果見表 1。

　　試驗表明，TVS 二極管正向串聯(lián)氧化鋅避雷器方案的直流 1 mA 電壓、方波通流能力、沖擊電流殘壓等指標(biāo)，均與現(xiàn)有避雷器無異，然而其泄漏電流，尤其是高頻環(huán)境下泄漏電流顯著降低，從而具備了在儲能站逆變器單元等高頻電壓的環(huán)境下運行的能力，具有較好的實用價值。

　　5 總結(jié)

　　本研究針對現(xiàn)有儲能站逆變單元關(guān)鍵部位過電壓保護(hù)手段的不足進(jìn)行了分析，提出了在直流疊加高頻交流的特殊電壓環(huán)境下，現(xiàn)有過電壓保護(hù)裝置應(yīng)用中存在的問題，并對此提出了一種將 TVS 二極管正向與氧化鋅避雷器復(fù)合組成的新型過電壓保護(hù)方案，該方案在維持了既有氧化鋅避雷器優(yōu)點的同時，克服了其電容電流過大的弊病，為儲能站等新能源應(yīng)用領(lǐng)域的過電壓防雷保護(hù)提供了新的思路。