大容量電池儲能系統共模干擾問題的分析研究

劉邦金，李勇琦，鐘朝現，葛 攀

（1.中國南方電網調峰調頻發電公司檢修試驗中心，廣東 廣州 510630；2.東莞鉅威新能源股份有限公司，廣東 東莞 523808）

大容量電池儲能系統共模干擾問題的分析研究

劉邦金1，李勇琦1，鐘朝現1，葛 攀2

（1.中國南方電網調峰調頻發電公司檢修試驗中心，廣東 廣州 510630；2.東莞鉅威新能源股份有限公司，廣東 東莞 523808）

應用在電力系統中的大容量電池儲能系統，雖然各部組件在各自的測試環境中可以正常工作，符合相關的EMC要求，對干擾有一定的抵抗能力，但在相互配合的整體運行過程中，卻存在著難以避免的干擾問題。共模干擾就是儲能系統調試運行過程中無法避免的問題，是系統需要解決的重點和難點。本文就南方電網儲能系統調試運行過程中的共模干擾進行了分析研究，提出了處理這些干擾的方法。

電池儲能系統；能量轉換系統；電池管理系統；共模干擾

1 前言

進入21世紀，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對風能、太陽能等新能源的大規模利用進入了一個全新的發展時期。但是，風能、光伏電站具有隨機性和間歇性特點，大量接入電網，對電網調峰和系統安全帶來巨大考驗。儲能系統對于實現電網運營的安全可靠、經濟高效是不可或缺的。其在電網側能削峰填谷，提高電網設備的運行效率；在發電側在很大程度上解決了新能源發電的隨機性、波動性問題，可以實現新能源發電的平滑輸出。新經濟發展下的電網對儲能裝置有著更加急迫的需求。因此，研究與推廣應用儲能技術的重要性和緊迫性日益凸現。

電池儲能系統具有能量密度高、占地面積小、便于分散布置、建設周期短等優點，近年來在電力系統中逐漸進入示范應用階段。應用于電力系統中的大容量電池儲能系統，主要由電池堆、電池管理系統、變流器和監控后臺組成，各部分在相互協調的工作中，難以避免會由于各種原因導致共模干擾的相互傳導，從而影響系統的正常、穩定工作。由于國內外對于大容量電池儲能系統的開發尚處于起步階段，針對此問題并沒有合適的研究成果可供參考。因此，研究電池儲能系統中共模干擾產生的源頭，采用合適的測量方法，分析并制定抑制干擾的方法，成為一項重要而有意義的工作。

2 共模干擾產生的原因及解決方法

2.1 共模干擾產生的原因

共模干擾是指同時加載在各個輸入信號接口端的共有的信號干擾，其干擾電壓在信號線及其回線上幅度相同，這里的電壓以附近任何一個物體（大地、設備機殼等）為參考單位，干擾電流回路是在導線與參考物體構成的回路中流動[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，引起的地電位升高和接地引線阻抗上的電壓降，外界電場對往、返引線的電場報合，外界磁場藕合(見感應輻合)或輻射輻合引起的地環干擾(見抗干擾接地)等都可能引起共模干擾。

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

在三相可控硅整流橋和逆變器中，IGBT會高頻率地通斷，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等電位點或面，它是電路或系統的基準電位，但不一定為大地電位。為了安全起見，設備的外殼都接大地，保持零電位。但當接地的方式處理不好，將形成地回路把干擾引入設備內部。為提高設備電路的抗干擾能力，通信線的屏蔽層也需有一點接地，使之保持零電位，以切斷共模干擾電壓的泄漏途徑，使干擾無法進入。

（2）采用變壓器或光耦器件等浮地保護技術

為提高電路的抗共模干擾能力，在后級電路與前級電路之間增加隔離變壓器或光耦隔離器件，這樣，即使前級電路存在對地的共模干擾，但不存在電氣的直接連接，后級電路由于只耦合了前級電路的信號，干擾信號因為能量有限，并不能耦合到后級電路，后級電路相對于地完全隔離，所以就不存在對地的共模電壓了，這種方式稱之為浮地保護技術。

（3）增加電路設計的抗干擾能力

一個系統的穩定程度取決于信號源、信號引線、負載的平衡以及其他雜散分布參數的平衡。為提高電路抗共模干擾能力，采取抗干擾能力強的元器件，并通過合理的電路設計，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換的電壓相等，以此來降低耦合到負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，可將變壓器初級繞組放在屏蔽層之內，并將屏蔽層接地，此時變壓器初級繞組上的相電壓通過對屏蔽層的分布電容，使漏電流直接流入地，而不再流入次級繞組，產生干擾。為防止電源變壓器引入干擾，采用三層屏蔽結構，即電源變壓器初級屏蔽層直接與表殼接地，供電裝置的次級繞組與所有屏蔽層相接，電源的次級繞組屏蔽層與通信地處于等電位狀態。由電源引起的脈沖狀干擾，對數字電路有較大影響，應在電源線路上加裝高頻濾波器，濾波器應裝在輸入和輸出引線都經過穿心電容進行濾波的鐵制屏蔽盒內[5]。

3 儲能系統中的共模干擾分析

3.1 共模干擾產生的問題

在儲能系統中，由于電池管理系統屬于低壓系統，而PCS承擔高壓交直流轉換功能，從共模干擾產生的原因來看，PCS是產生共模干擾的源頭，而受此干擾最嚴重的就屬于電池管理系統，PCS可以通過直流母線和地線直接把干擾傳導到電池管理系統內部。電池管理系統受到干擾產生的問題如圖2和圖3所示，BCMS出現觸摸屏操作反應遲鈍甚至通信中斷現象。

圖2 BCMS觸摸屏反應極不靈敏

圖3 BCMS通信中斷死機

3.2 共模干擾的測試方法

測量儲能系統的電池管理系統所受到的共模干擾，可以在直流母線中間接兩個串聯的等值電阻，將示波器的探頭接在串聯電阻的中點，地線接機殼，如圖4所示。為了使示波器電源不受到干擾，保證測量的準確性，需要在示波器電源端與市電插座間接隔離變壓。

圖4 共模測試連線圖

測量過程，需要通過PCS控制一個BC啟動充放電，并逐漸增加充放電功率，查看示波器顯示波形有無變化，電池管理系統有無出現死機等異常狀況。

3.3 共模干擾分析

電池及電池管理系統和PCS從系統原理圖上看只有電池的正、負母線和接地三條線連接，如圖5，我們通過示波器可以觀測到中點對地共模電壓最高680V，最低-600V，頻率是3.2kHz,這個頻率剛好是PCS的工作頻率,并且屬于傳導性干擾，這個頻率是3.2kHz的共模干擾電壓電池很難把它濾掉，但是從PCS系統的原理圖可以看到，從電池的正負母線間并聯有很多的電容器，電容器是可以濾掉這些干擾的，所以，這個頻率是3.2kHz的共模干擾電壓是通過地線傳導過來的。我們通常認為地線實際就是大地，應該是最穩定的。但是在這個系統的設計中可以明顯看出，它的地是浮動的，系統的接地點在PCS端只是使用了2個100kΩ電阻的中間點，這個中間點實際只能給PCS的IGBT壓控元件提供電壓的基準參考。這兩顆電阻是不能將地線電勢穩定在電池的正、負母線間電壓中間電位的。在電池及電池管理系統這端，地線和電池正負母線間電位關系也沒有固定。所以在這個系統中，地線相對于電池的正、負母線的電勢差是按一定電壓值和3.2kHz的頻率在做上下擺動，這就符合我們測量的共模電壓。

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，A，B，C三點的電壓會交替和兩條電源母線的電位接近。當PCS系統中控制三組IGBT單元的其他電路有接地或漏電時，會引起接地電位在電池的正負母線電位間擺動。就會引起電池管理系統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載（電網）平衡時，可以獲得比較好的輸出特性。然而，在不平衡負載條件下，由于電源的相與相之間在電路和磁路上都存在著較強的耦合關系，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稱性，負載（電網）的不平衡度越嚴重影響就越大。相位的不對稱隨之也引起線電壓的不對稱，從而可能對控制設備造成不良后果，以致使一些較敏感的設備不能正常工作。

圖7是兩組AC/DC模塊原理圖。兩組AC/DC模塊的A、B、C會分別并聯在一起。例如兩組AC/DC模塊的A點的上下臂（B點、C點也一樣）可以做到切合同步的話，此時干擾和一組AC/DC模塊的干擾應該相同，但目前的系統中是不能實現的，這樣有可能產生PCS1的A點上臂閉合，PCS2的A點下臂閉合，此時會產生峰峰值為2N（N為電池組電壓）VAC的電壓。

圖7 兩組AC/DC模塊圖

所以當兩組AC/DC模塊一同啟動后，在使用共模測試方式下，應該可以測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模塊的系統參數有關，比如逆變頻率等。

4 系統改進方法

在系統的PCS和電網之間增加隔離變壓器，可以大大地減弱共模干擾對電池管理系統的影響，但這并不排除由于系統漏電，導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。由于電池不能設置中間點接地，消除這種共模干擾，除了在PCS端進行改善，還有兩個極端的方式，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現，但是可以使用濾波電容來實現，可以根據系統的共模干擾電壓的頻率選取兩只相同參數的高壓電解電容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和PCS系統1間00隔 kΩ離，但由于BMU需要連接每一個電池單元，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。電池管理系統中的其他電路也一樣要考慮整體隔離。

圖8 改進的AC/DC濾波電路

5 結論

本文針對南方電網大容量儲能系統中遇到的共模干擾問題進行了分析，提出了測試系統中共模干擾的方法，對產生的共模電壓進行了分析，并指出了引起共模干擾的根本原因，給出了相應的解決辦法。其分析和改進方法對儲能系統的設計及測試都有一定的指導意義，有利于大規模儲能系統的進一步發展。

[1]陳偉華.電磁兼容實用手冊[M].北京：機械工業出版社，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共模干擾研究[J].中國電機工程學報，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共模傳導干擾研究[J].中國電機工程學報，2003，23（4）.

[5]趙金奎.共模干擾和差模干擾及其抵制技術[J].電子質量，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，從事電池儲能技術研究工作。