摘要:現(xiàn)有的儲(chǔ)能系統(tǒng)BMS檢測(cè)絕緣阻抗時(shí),通常直接借用電動(dòng)汽車動(dòng)力電池的絕緣電阻檢測(cè)方法。而參考電動(dòng)汽車安全要求第1部分GB/T 18384.1-2015中給出的絕緣電阻測(cè)量原理,一般會(huì)采用電橋法進(jìn)行測(cè)量。絕緣電阻不是我們常規(guī)理解的定值電阻,它與系統(tǒng)中固有的雜散分布式電容或?qū)Φ豗電容等有關(guān),會(huì)導(dǎo)致國(guó)標(biāo)中給出的測(cè)試方法失效。這種失效現(xiàn)象目前在大容量?jī)?chǔ)能系統(tǒng)中非常突出,本文將從原理上進(jìn)行分析。
關(guān)鍵字:BMS,PCS,絕緣檢測(cè),絕緣阻抗,儲(chǔ)能系統(tǒng)
一、引言
儲(chǔ)能系統(tǒng)為整個(gè)電力網(wǎng)絡(luò)的調(diào)度提供能量支撐,同時(shí)參與電力系統(tǒng)的供需管理,是電力系統(tǒng)發(fā)輸配用多個(gè)環(huán)節(jié)的重要組成部分。根據(jù)研究公司彭博新能源財(cái)經(jīng) (BNEF)的最新預(yù)測(cè),到2040年,世界各地的儲(chǔ)能設(shè)施將成倍增長(zhǎng),從2018年部署的9GW/17GWh,到1,095GW/2,850GWh。
隨著儲(chǔ)能行業(yè)的發(fā)展,大規(guī)模儲(chǔ)能系統(tǒng)的安全性問(wèn)題日益凸顯。在儲(chǔ)能系統(tǒng)中,電池管理系統(tǒng)(BMS)和儲(chǔ)能變流器(PCS)作為核心組件,提供了核心安全管理,對(duì)整個(gè)儲(chǔ)能系統(tǒng)的絕緣狀況進(jìn)行監(jiān)測(cè)和控制。本文通過(guò)對(duì)現(xiàn)有儲(chǔ)能系統(tǒng),特別是非隔離,多機(jī)并聯(lián)系統(tǒng)出現(xiàn)的BMS絕緣誤報(bào)問(wèn)題,進(jìn)行了直流絕緣檢測(cè)的標(biāo)準(zhǔn)解讀和原理分析,提出了針對(duì)目前BMS絕緣檢測(cè)改進(jìn)的方法及解決措施。
二、直流絕緣檢測(cè)的標(biāo)準(zhǔn)和原理
在GB/T 18384.1-2015車載可充電儲(chǔ)能系統(tǒng)中規(guī)定BMS需要對(duì)動(dòng)力電池系統(tǒng)所有部件集成完畢的狀態(tài)下進(jìn)行絕緣檢測(cè),且采用絕緣電阻阻值來(lái)衡量絕緣狀態(tài)。絕緣電阻可分為總正對(duì)地和總負(fù)對(duì)地。
現(xiàn)有的儲(chǔ)能系統(tǒng)BMS檢測(cè)通常直接借用車載系統(tǒng)及其標(biāo)準(zhǔn),主要采用電橋法測(cè)量,結(jié)合PCS(儲(chǔ)能變流器)系統(tǒng),整個(gè)儲(chǔ)能系統(tǒng)的絕緣檢測(cè)原理如下圖1-1所示:
圖1-1 儲(chǔ)能系統(tǒng)絕緣檢測(cè)原理
步驟1:閉合RLY1,斷開(kāi)RLY2,采集U1點(diǎn)對(duì)地的電壓為U1,采集電池的總電壓為U;
步驟2:閉合RLY2,斷開(kāi)RLY1,采集U2點(diǎn)對(duì)地的電壓為U2,采集電池的總電壓為U;
分時(shí)切換RLY1和RLY2,根據(jù)步驟1和步驟2,以及上述兩個(gè)方程,進(jìn)而可解出Rx,Ry的值;Rx和Ry分別為電池總正和總負(fù)對(duì)地的絕緣阻抗值。
三、儲(chǔ)能系統(tǒng)絕緣檢測(cè)的問(wèn)題及其分析
將上述檢測(cè)方法應(yīng)用于大容量?jī)?chǔ)能系統(tǒng)后,出現(xiàn)了誤報(bào)絕緣阻抗過(guò)低,實(shí)際并無(wú)絕緣異常的問(wèn)題。以下將對(duì)誤報(bào)的原因進(jìn)行分析。
1.電橋法的自身問(wèn)題
在采用電橋法測(cè)量絕緣電阻的過(guò)程中,當(dāng)閉合KM2后,電池與PCS系統(tǒng)直流側(cè)相連接,由于PCS內(nèi)部有對(duì)地Y電容,根據(jù)檢測(cè)原理圖2-1所示,電池的絕緣檢測(cè)回路在進(jìn)行通道切換時(shí),Rx,Ry,R1,R2等電阻連接了電池正,負(fù)以及PE,在進(jìn)行正負(fù)分別切換檢測(cè)時(shí),PE點(diǎn)相對(duì)于電池正和負(fù)會(huì)有電平跳動(dòng),會(huì)通過(guò)PE、Y電容、電池線纜形成回路,給PCS內(nèi)部的Y電容充放電。
圖2-1 絕緣檢測(cè)回路對(duì)PCS側(cè)Y電容充放電回路
2.非隔離系統(tǒng)
對(duì)于非隔離PCS系統(tǒng),PCS交流側(cè)掛接于市電,由于市電側(cè)可能掛接多種負(fù)荷,市電的交流進(jìn)線相對(duì)于PE的阻抗較小,在非隔離系統(tǒng)中,除了直流側(cè)檢測(cè)中的充放電回路,PCS一旦閉合交流接觸器或者繼電器,相比于PCS開(kāi)機(jī)工作(閉合交流側(cè)接觸器或繼電器)之前,同樣采用電橋法測(cè)量,直流側(cè)的絕緣阻抗檢測(cè)會(huì)更低,甚至趨近于0。
圖2-2 非隔離系統(tǒng)絕緣檢測(cè)市電側(cè)回路示意
對(duì)于采用多模塊非隔離并聯(lián)系統(tǒng),非隔離PCS可以簡(jiǎn)單理解為電池端到交流端有一定的阻抗,這樣BMS內(nèi)阻通過(guò)PCS內(nèi)阻到交流端并聯(lián),進(jìn)而呈現(xiàn)了阻抗并聯(lián)的效果,大規(guī)模并聯(lián)后,采用電橋法測(cè)量絕緣阻抗時(shí),BMS的檢測(cè)回路也會(huì)通過(guò)非隔離系統(tǒng)并聯(lián),降低絕緣阻抗檢測(cè)值。
所以對(duì)于多機(jī)并聯(lián)檢測(cè),需要一定的BMS時(shí)序控制,避免BMS檢測(cè)內(nèi)阻相互影響。
圖2-3 多模塊非隔離并聯(lián)內(nèi)阻示意圖
四、解決方案
最直接有效的是不采用電橋法來(lái)檢測(cè)絕緣電阻,可以采用主動(dòng)注入式檢測(cè)法等,這里不再詳述;可以直接實(shí)時(shí)檢測(cè)非隔離,多機(jī)并聯(lián)的交直流絕緣阻抗。
若仍然采用電橋法,根據(jù)BMS絕緣檢測(cè)內(nèi)阻和PCS 端口Y電容容量,BMS延長(zhǎng)通道切換至絕緣電阻采樣讀取的時(shí)間,確保BMS檢測(cè)過(guò)程中的充放電回路穩(wěn)定;同時(shí)對(duì)于多模塊并聯(lián)系統(tǒng)方案,絕緣檢測(cè)采用輪詢方式,可以解決電橋法引入的絕緣阻抗檢測(cè)值偏低問(wèn)題。
儲(chǔ)能系統(tǒng)采用的是梯次退役電池,并且如果BMS策略根據(jù)儲(chǔ)能系統(tǒng)更新維護(hù)困難,可以屏蔽BMS自身電橋法絕緣檢測(cè)功能,外加多分支的絕緣檢測(cè)裝置來(lái)解決。
(本文為新艾電氣原創(chuàng))
原標(biāo)題:新艾電氣:儲(chǔ)能系統(tǒng)BMS絕緣電阻檢測(cè)原理分析及解決方案