儲能站動力電池逆變單元過電壓保護方案優化研究

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

　　關鍵詞：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

　　隨著新能源技術的發展，為了吸納更多的風電、光伏等高隨機性負荷接入電網，儲能站、虛擬電站的建設日益增多。 絕大部分儲能站規模較小，利用動力電池或舊動力電池梯級來實現電網有功的輔助調節。 儲能站需要大容量的 AC - DC 轉換的逆變系統，由于儲能站逆變單元關鍵部位如直流母線、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境，很難實現過電壓保護設備的配置，因此儲能站經常遭受雷擊造成嚴重受損。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合組成的新型過電壓保護方案[2]，能較好地滿足復雜電壓環境下過電壓保護的需求。

　　1 儲能站動力電池逆變單元1. 1 逆變單元電路結構

　　常規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信號，可實現整流、逆變與無功的同時一體化控制，從而滿足儲能站對電網的頻率電壓動態快速補償。 逆變單元的直流側一般采用動力電池儲能，也可接入風機、光伏等新能源設備，通過逆變單元實現與交流電網的聯絡。 然而對于此類新能源設備，其過電壓保護的研究較少，工程中一般在屏柜的入口端設置普通 SPD 實現侵入波保護，但難以防范嚴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設置

　　電力電子設備的過電壓保護，除了交流電源入口段的保護，更應注意功率器件以及直流母線的過電壓保護。 由于半導體器件承受過電壓侵入波，發生不可逆轉失效的時間常數一般僅僅幾秒，因此很多電力電子設備均在功率半導體器件的陰極陽極之間，直接并聯過電壓保護裝置，實現電壓鉗位;對于直流側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電池擊穿爆炸起火的問題，因此在直流側，包括直流母線以及蓄電池室入口端，均應配置過電壓保護器進行電壓鉗位。

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

　　2 電池逆變單元過電壓保護配置的問題2. 1 過電壓保護安裝處的電壓環境

　　對于功率較大的電池逆變單元，設置通流容量足夠的過電壓保護措施存在不少問題。 首先是安裝處的電壓環境。 在功率半導體器件的陰極陽極之間，由于功率管不斷開關，兩端電壓呈現出高頻率的高低跳變，見圖 2，無論采用軟開關控制還是直接斬波，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，發生較大的幅值波形變化，在這種特殊的電壓環境下，如何選取過電壓保護設備，是一個難題[5 - 6]。

　　在電池逆變單元的直流側，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，過電壓保護設備如果頻率特性不佳，很可能因電容電流引發其他問題。 因此如何選取過電壓保護設備，同樣是難題[7]。

　　2. 2 現有過電壓保護設備的特點分析2. 2. 1 氣體放電管

　　氣體放電管是最經濟、廉價的過電壓保護設備，缺點主要在于無法切斷續流、響應速度慢、有截波過電壓，一般半導體器件的瞬時過電壓承受時間窗口僅僅數秒，而氣體放電管的伏秒特性顯然無法滿足保護要求。

　　2. 2. 2 氧化鋅壓敏電阻

　　氧化鋅材料是通用性最好、應用最為普遍的過電壓保護材料，具備通流容量大、保護特性好、價格低廉等優點，但氧化鋅避雷器在交流場合應用時，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高于工頻，氧化鋅材料較大的寄生電容將引發功率管大量附加損耗，可能會導致功率器件無法正常工作。 現以常用的 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，當電源頻率提高至 20 kHz 后，等電壓下電容電流將變為 40 mA，這可能已經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，尚存在困難。

　　2. 2. 3 瞬態電壓抑制二極管

　　瞬態電壓抑制二極管即 TVS 二極管，與穩壓二極管工作原理相似，一旦高于門檻電壓就會導通，與穩壓二極管相比，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高能量沖擊時，以納秒級速度，將兩極間的高阻抗變為低阻抗，同時吸收高達數千瓦的浪涌功率、使電壓箝位于一個安全值，保護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上千瓦。 瞬態電壓抑制二極管的保護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千安，對于大功率逆變器，需要大量并聯才能滿足要求，實際使用不夠方便。

　　3 新型過電壓保護配置方案3. 1 方案設計思路

　　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，但負極電壓不會高過正極，即過電壓保護器只需要設計成單向直流工作。 鑒于此，我們可使用直流氧化鋅避雷器，通過一定的改進，堵塞電容電流，即可起到很好的保護效果。 因此我們提出一種“TVS 二極管正向串聯氧化鋅避雷器” 的保護方案，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，與相應氧化鋅避雷器串聯，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，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數百安，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電容很大，無法實現隔離避雷器電容電流的作用。 因此，選擇合適種類的二極管，是方案設計成敗的關鍵。瞬態電壓抑制二極管通常在反向電壓下其電壓鉗位保護作用，一般以其單位時間的熱穩定功率作為其最大通流能力的額定值，而瞬態電壓抑制二極管在正向電壓作用下，由于其正向導通時的 PN結壓降與普通二極管無異，僅 0. 7 V，因此正向導通時的瞬時耗散功率，將達到非常可觀的程度。 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 60 kA 以上，考慮到這種特殊工況下的冗余，數個 TVS 二極管并聯也足以滿足要求。 另一方面是，TVS 二極管的結電容在皮法級，因此對電容電流的隔離效果十分顯著[13 - 15]。

　　3. 3 保護裝置的狀態監測

　　氧化鋅避雷器在應用中存在老化趨勢，在儲能站逆變單元中使用時，由于電壓環境復雜，更需要設置在線監測手段，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測常常存在嚴重誤差，當基波直流成分較多，諧波呈現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，使用常規交流監測表問題不大。 然而當基波直流成分較少，整體泄漏電流呈現為交流(電流瞬時值位于時間軸兩側時)，整流系電表將會使位于坐標軸下方的交流分量整流為直流翻轉到坐標軸上方，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，此時使用交流監測表無疑失去了監測的意義[17 - 20]。

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

　　4 現場試驗結果

　　根據上文的分析結果，設計了新型避雷器樣機，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，且低壓環境直流與交流避雷器常常換用，因此以常用交流避雷器設計樣機，試驗結果見表 1。

　　試驗表明，TVS 二極管正向串聯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，均與現有避雷器無異，然而其泄漏電流，尤其是高頻環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境下運行的能力，具有較好的實用價值。

　　5 總結

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