储能站动力电池逆变单元过电压保护方案优化研究
摘 要：针对现有储能站动力电池逆变单元关键部位过电压保护手段的不足进行了分析，指出在直流叠加高频交流的特殊电压环境下，现有过电压保护装置应用中存在的问题，并对此提出了一种将 TVS 二极管正向与氧化锌避雷器复合组成的新型过电压保护方案，该方案在维持了既有氧化锌避雷器优点的同时，克服了其电容电流过大的弊病，为储能站等新能源应用领域的过电压防雷保护提供了新的思路。
关键词：储能站;动力电池;氧化锌避雷器;TVS 二极管;电容电流
杨欢红; 洪雨; 史博文; 谢明洋; 朱子叶; 余威 电瓷避雷器 2021-12-17
0 引言
随着新能源技术的发展，为了吸纳更多的风电、光伏等高随机性负荷接入电网，储能站、虚拟电站的建设日益增多。 绝大部分储能站规模较小，利用动力电池或旧动力电池梯级来实现电网有功的辅助调节。 储能站需要大容量的 AC - DC 转换的逆变系统，由于储能站逆变单元关键部位如直流母线、功率器件等[1]，其两端长时间处在含有大量交流成分的直流电压环境，很难实现过电压保护设备的配置，因此储能站经常遭受雷击造成严重受损。本研究立足实际，提出了一种将 TVS 二极管正向与氧化锌避雷器复合组成的新型过电压保护方案[2]，能较好地满足复杂电压环境下过电压保护的需求。
1 储能站动力电池逆变单元1. 1 逆变单元电路结构
常规储能站动力电池的逆变单元电路见图 1，为了控制灵活与尽可能少产生谐波，一般采用全控型器件的 PWM 换流器，通过改变功率器件的触发信号，可实现整流、逆变与无功的同时一体化控制，从而满足储能站对电网的频率电压动态快速补偿。 逆变单元的直流侧一般采用动力电池储能，也可接入风机、光伏等新能源设备，通过逆变单元实现与交流电网的联络。 然而对于此类新能源设备，其过电压保护的研究较少，工程中一般在屏柜的入口端设置普通 SPD 实现侵入波保护，但难以防范严重的大气过电压或操作过电压。 虽然大部分储能站电压等级低、容量小，但由于大量使用 IGBT 类功率半导体器件，实际过电压抵御能力十分薄弱[3 - 4]。
1. 2 电池逆变单元过电压保护设置
电力电子设备的过电压保护，除了交流电源入口段的保护，更应注意功率器件以及直流母线的过电压保护。 由于半导体器件承受过电压侵入波，发生不可逆转失效的时间常数一般仅仅几秒，因此很多电力电子设备均在功率半导体器件的阴极阳极之间，直接并联过电压保护装置，实现电压钳位;对于直流侧配置动力电池组的储能站，由于大量汽车剩余的废旧锂电池组的接入，更需要考虑过电压侵入波引发电池击穿爆炸起火的问题，因此在直流侧，包括直流母线以及蓄电池室入口端，均应配置过电压保护器进行电压钳位。
对于高电压的级联型逆变单元，也应按此思路，在每一个功率管的阴阳极之间，以及总直流母线，并联过电压保护装置。
2 电池逆变单元过电压保护配置的问题2. 1 过电压保护安装处的电压环境
对于功率较大的电池逆变单元，设置通流容量足够的过电压保护措施存在不少问题。 首先是安装处的电压环境。 在功率半导体器件的阴极阳极之间，由于功率管不断开关，两端电压呈现出高频率的高低跳变，见图 2，无论采用软开关控制还是直接斩波，功率管两端的电压 Vc 均是在快速跳变的，这个电压是一个直流与高频交流叠加的电压，并且该电压还会因逆变器不同的占空比，发生较大的幅值波形变化，在这种特殊的电压环境下，如何选取过电压保护设备，是一个难题[5 - 6]。
在电池逆变单元的直流侧，由于有电池与平波电抗器、电容器的平滑作用，其直流成分中的交流脉动成分大为减弱，但是在一些特殊工况下，交流成分也并不少，见图 3，直流波形里叠加了很多高频毛刺状信号，这些高频交流成分虽然幅值不大但频率高，过电压保护设备如果频率特性不佳，很可能因电容电流引发其他问题。 因此如何选取过电压保护设备，同样是难题[7]。
2. 2 现有过电压保护设备的特点分析2. 2. 1 气体放电管
气体放电管是最经济、廉价的过电压保护设备，缺点主要在于无法切断续流、响应速度慢、有截波过电压，一般半导体器件的瞬时过电压承受时间窗口仅仅数秒，而气体放电管的伏秒特性显然无法满足保护要求。
2. 2. 2 氧化锌压敏电阻
氧化锌材料是通用性最好、应用最为普遍的过电压保护材料，具备通流容量大、保护特性好、价格低廉等优点，但氧化锌避雷器在交流场合应用时，普遍存在电容电流大于阻性泄漏电流的问题。 在基于电压源换流器的逆变装置场合，由于电路工作频率远高于工频，氧化锌材料较大的寄生电容将引发功率管大量附加损耗，可能会导致功率器件无法正常工作。 现以常用的 HY1. 5W - 0. 5 / 2. 6 - 380避雷器为例，其工频 380 V 下泄漏电流约 0. 1 mA，当电源频率提高至 20 kHz 后，等电压下电容电流将变为 40 mA，这可能已经超过了功率管阻尼元件的电流，显然将引起很大的功率损耗，严重影响功率管的寿命[8 - 10]。 因此，将氧化锌压敏元件用于逆变单元的功率器件保护，尚存在困难。
2. 2. 3 瞬态电压抑制二极管
瞬态电压抑制二极管即 TVS 二极管，与稳压二极管工作原理相似，一旦高于门槛电压就会导通，与稳压二极管相比，TVS 二极管有更高的通流能力。 TVS 二极管的两极受到反向瞬态高能量冲击时，以纳秒级速度，将两极间的高阻抗变为低阻抗，同时吸收高达数千瓦的浪涌功率、使电压箝位于一个安全值，保护器件免受浪涌脉冲的破坏[11 - 12]。TVS 能承受的瞬时脉冲功率可达上千瓦。 瞬态电压抑制二极管的保护特性与动作速度均很好，但最大的问题在于容量小，一般最大脉冲浪涌电流仅仅数千安，对于大功率逆变器，需要大量并联才能满足要求，实际使用不够方便。
3 新型过电压保护配置方案3. 1 方案设计思路
储能站功率逆变单元的避雷器安装场合有个共同点，就是安装处的电压为脉动直流，直流成分里虽然有交流，但负极电压不会高过正极，即过电压保护器只需要设计成单向直流工作。 鉴于此，我们可使用直流氧化锌避雷器，通过一定的改进，堵塞电容电流，即可起到很好的保护效果。 因此我们提出一种“TVS 二极管正向串联氧化锌避雷器” 的保护方案，该方案见图 4，通过一个有较强脉冲电流通流能力的二极管，与相应氧化锌避雷器串联，通过二极管的整流作用，使得加在避雷器两端的电流极性不可翻转，从而使电容电流消失。
3. 2 二极管的选择
氧化锌避雷器的方波通流能力可达数百安，一般整流二极管的额定电流仅仅几安，按十倍浪涌电流承受能力计算也达不到避雷器极端情况下的放电电流，并且普通整流二极管结电容很大，无法实现隔离避雷器电容电流的作用。 因此，选择合适种类的二极管，是方案设计成败的关键。瞬态电压抑制二极管通常在反向电压下其电压钳位保护作用，一般以其单位时间的热稳定功率作为其最大通流能力的额定值，而瞬态电压抑制二极管在正向电压作用下，由于其正向导通时的 PN结压降与普通二极管无异，仅 0. 7 V，因此正向导通时的瞬时耗散功率，将达到非常可观的程度。 例如额定电压 500 V、最大浪涌电流 100 A 的 TVS 二极管，正向的浪涌电流可达 60 kA 以上，考虑到这种特殊工况下的冗余，数个 TVS 二极管并联也足以满足要求。 另一方面是，TVS 二极管的结电容在皮法级，因此对电容电流的隔离效果十分显著[13 - 15]。
3. 3 保护装置的状态监测
氧化锌避雷器在应用中存在老化趋势，在储能站逆变单元中使用时，由于电压环境复杂，更需要设置在线监测手段，观测其泄漏电流[16]。 在很多直流换流站、电气化铁道等场合，直流避雷器的泄漏电流监测常常存在严重误差，当基波直流成分较多，谐波呈现为叠加在直流分量上的纹波，此时整流系电表测得的有效值与实际直流阻性限流误差很小，使用常规交流监测表问题不大。 然而当基波直流成分较少，整体泄漏电流呈现为交流(电流瞬时值位于时间轴两侧时)，整流系电表将会使位于坐标轴下方的交流分量整流为直流翻转到坐标轴上方，此时显然交流分量也会被计入表计的有效值显示出来，此时的误差很大，此时使用交流监测表无疑失去了监测的意义[17 - 20]。
如果采用 TVS 二极管正向串联氧化锌避雷器方案，由于将绝大部分电容电流堵塞，流过泄漏电流监测表的电流均为阻性电流，因此监测结果也准确得多，可见本方案对于储能站等特殊场合避雷器的监测，也带来了极大的帮助。
4 现场试验结果
根据上文的分析结果，设计了新型避雷器样机，对其测试了方波通流能力、以及不同频率下的泄漏电流，因低电压直流专用避雷器较少见，且低压环境直流与交流避雷器常常换用，因此以常用交流避雷器设计样机，试验结果见表 1。
试验表明，TVS 二极管正向串联氧化锌避雷器方案的直流 1 mA 电压、方波通流能力、冲击电流残压等指标，均与现有避雷器无异，然而其泄漏电流，尤其是高频环境下泄漏电流显著降低，从而具备了在储能站逆变器单元等高频电压的环境下运行的能力，具有较好的实用价值。
5 总结
本研究针对现有储能站逆变单元关键部位过电压保护手段的不足进行了分析，提出了在直流叠加高频交流的特殊电压环境下，现有过电压保护装置应用中存在的问题，并对此提出了一种将 TVS 二极管正向与氧化锌避雷器复合组成的新型过电压保护方案，该方案在维持了既有氧化锌避雷器优点的同时，克服了其电容电流过大的弊病，为储能站等新能源应用领域的过电压防雷保护提供了新的思路。