嚴(yán) 偉,馬曉恬,孟 磊,顧志斌,王萬純,熊 杰,潘明俊

(1.南京南瑞繼保電氣有限公司,江蘇 南京 211100;2.常州博瑞電力自動化設(shè)備有限公司,江蘇 常州 213025)

0 引言

為了應(yīng)對日益增長的電力需求和環(huán)境壓力,電力系統(tǒng)正形成高比例新能源和高比例電力電子設(shè)備(即“雙高”)的發(fā)展趨勢。隨著新能源和電力電子設(shè)備的滲透率增加,電力系統(tǒng)有著慣性減小、系統(tǒng)強(qiáng)度變?nèi)醯内厔?穩(wěn)定性問題愈發(fā)嚴(yán)重。一方面,構(gòu)網(wǎng)(grid-forming,GFM)控制技術(shù)可以提高變流器的電壓、頻率支撐能力,增強(qiáng)電力系統(tǒng)穩(wěn)定性;另一方面,儲能系統(tǒng)在電網(wǎng)中的作用包括為系統(tǒng)提供有功或無功支撐、提高新能源并網(wǎng)能力、參與調(diào)峰調(diào)頻、故障期間短時供電等。采用構(gòu)網(wǎng)控制技術(shù)來控制儲能變流器,可以提高新型電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性。因此,儲能系統(tǒng)自身的穩(wěn)定性尤為關(guān)鍵,其絕緣耐壓水平是檢驗穩(wěn)定性的重要指標(biāo)。而電力系統(tǒng)中電氣設(shè)備的局部放電無論何種形式,無論發(fā)生在內(nèi)部還是表面,都會對設(shè)備的絕緣產(chǎn)生破壞。由懸浮引起的局部放電、由氣泡引起的局部放電、由導(dǎo)體尖端引起的尖端放電都可能會對電氣設(shè)備產(chǎn)生不同影響[1-7]。

當(dāng)前國內(nèi)對儲能電池系統(tǒng)的研究并不多,中國電力科學(xué)研究院公司建立了適用于儲能系統(tǒng)的二階共模等效電路模型,開展了對電池系統(tǒng)共模電壓和共模電流問題的研究[8]。上海船舶設(shè)備研究所和南京理工大學(xué)自動化學(xué)院合作,針對模組間的一致性差和電量不均衡現(xiàn)象,提出了一種基于雙向反激變換器的儲能電池模組雙向主動均衡系統(tǒng),有效降低了電量的不均衡度[9]。

本文主要聚焦儲能電池單元可靠性提升的研究。通過試驗驗證了儲能電池系統(tǒng)的絕緣耐壓邊界及在高海拔環(huán)境下的應(yīng)用能力,并探究了線束放電對電池系統(tǒng)絕緣和耐壓性能的影響。這些研究成果為后續(xù)儲能電池系統(tǒng)的開發(fā)和應(yīng)用提供了指導(dǎo)。

1 儲能電池單元可靠性

1.1 儲能系統(tǒng)及結(jié)構(gòu)

儲能系統(tǒng)只有四個部分,分別是儲能電池、儲能變流器(power conversion system,PCS)、能量管理系統(tǒng)(energy management system,EMS)和電池管理系統(tǒng)(battery management system,BMS)。BMS主要裝置包括電池模塊管理單元(battery management unit,BMU)、電池簇管理單元(battery cluster management unit,BCMU)、電池堆管理單元(battery stack management unit,BSMU)、高壓控制箱、液晶屏裝置等,具體配置按工程設(shè)計進(jìn)行[10]。儲能電池單元包括電池、電池包相關(guān)結(jié)構(gòu)、線束、電池包管理單元等部分。

1.2 絕緣耐壓及局部放電

絕緣耐壓測試是一種用于檢驗和評定電工設(shè)備絕緣耐受電壓能力的技術(shù)手段。設(shè)備的任何局部絕緣破壞都會導(dǎo)致整個設(shè)備失去絕緣性能。因此,通常使用能夠耐受多高的試驗電壓(單位為kV)來表示設(shè)備的整體絕緣能力[11]。

局部放電現(xiàn)象主要指電力設(shè)備絕緣在足夠強(qiáng)的電場作用下局部范圍內(nèi)放電。據(jù)電網(wǎng)統(tǒng)計,局部放電是造成高壓電氣設(shè)備最終發(fā)生絕緣擊穿的重要原因,也是絕緣劣化的重要標(biāo)志。

在20 ℃、101 325 Pa和絕對濕度為11 g/m3的標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下,通常認(rèn)為均勻電場空氣間隙的擊穿場強(qiáng)為30 kV/cm,也就是1 cm的距離需要30 kV的電壓才能擊穿,1 mm的距離需要3 kV的電壓才能擊穿。

局部放電一般包括電暈放電、電弧放電、表面放電、氣隙(內(nèi)部)放電。其中,氣隙(內(nèi)部)放電通常是電纜、套管、GIS接頭絕緣等固體絕緣中的缺陷引起的。氣隙放電對絕緣體的破壞性通常會持續(xù)擴(kuò)大,直至絕緣體完全失效[12-15]。

本次儲能電池單元的絕緣耐壓性能研究主要針對電池本身、電池結(jié)構(gòu)、線束以及電池管理單元進(jìn)行了絕緣和耐壓的試驗驗證,并探究了線束局部絕緣缺陷對絕緣耐壓的影響。

2 試驗原理及方案

2.1 電氣試驗原理

儲能電池模塊的絕緣耐壓電氣原理如圖1所示。盡管絕緣和耐壓性能的電氣原理相同,但評判指標(biāo)和試驗電壓有所不同。絕緣性能的評判指標(biāo)是在特定試驗電壓下的絕緣電阻;耐壓性能的評判指標(biāo)是在特定試驗電壓下的漏電流。操作電壓分為工頻交流電壓和直流電壓,由于電池模塊本身為直流電源,故采用直流電壓作為試驗電壓。雖然絕緣和耐壓電氣原理相同,但考核指標(biāo)不同,因此分別對絕緣和耐壓進(jìn)行考核試驗。此外,為了試驗的全面性,本試驗分別對電池模塊的正對地和負(fù)對地的絕緣和耐壓能力進(jìn)行考核。

圖1 電池模塊絕緣耐壓電氣原理Fig.1 Electrical principle of insulation and withstand voltage for battery modules

2.2 電氣試驗方案

儲能電池模塊由電池主體(結(jié)構(gòu)件+模塊)、二次采集線纜和BMU構(gòu)成。三者中絕緣耐壓水平最低的決定了儲能電池模塊的絕緣耐壓上限。采用分層解耦、逐級疊加的方法對電池主體、二次采集線纜和BMU進(jìn)行絕緣和耐壓測試。

根據(jù)GB/T 36276—2018[16],電力儲能用鋰離子電池(工作電壓1.5 kV)的絕緣國標(biāo)為2.5 kV。因電池系統(tǒng)的特殊性(有源系統(tǒng)),在實際的絕緣或耐壓過程中,需首先驗證是否存在電勢疊加的情況,即在電池模塊不斷串聯(lián)的過程中,絕緣和耐壓電勢是否會不斷升高。

若存在電勢疊加,針對1 500 V系統(tǒng),系統(tǒng)末端將承受接近4 000 V的電壓?？紤]1.1倍的系數(shù),絕緣標(biāo)準(zhǔn)需達(dá)到4.4 kV。

耐壓國標(biāo)為3.8 kV,根據(jù)海拔和耐壓的關(guān)系,對于海拔高于1 000 m但不超過4 000 m的設(shè)備外絕緣,每增加100 m的海拔,絕緣強(qiáng)度約降低1%。

根據(jù)式(1),考慮海拔4 800 m的絕緣耐壓要求,因現(xiàn)有35 kV及以下大多數(shù)電氣設(shè)備外絕緣已有一定裕度,所以按照4 000 m以下的情況考慮,要求耐壓強(qiáng)度達(dá)到7 400 V。

UGB=[1-(H/100)×1%]×Umax

(1)

2.2.1 絕緣測試方案

通過后臺連接BMS對儲能電池的溫度和電壓進(jìn)行采集,確保數(shù)據(jù)正常后,按照表1中的工況進(jìn)行絕緣電阻測試,將電壓設(shè)定為測試標(biāo)準(zhǔn)值,持續(xù)時間60 s,并記錄絕緣電阻值。每次試驗結(jié)束后,需要對電池模塊的殘余電荷進(jìn)行釋放。

表1 絕緣電阻測試工況Table 1 Insulation resistance test conditions

2.2.2 耐壓測試方案

通過后臺連接BMS對儲能電池溫度和電壓進(jìn)行采集,數(shù)據(jù)正常之后,按照表2中的工況進(jìn)行耐壓性能測試,將電壓設(shè)定至測試標(biāo)準(zhǔn)值,持續(xù)時間60 s,記錄漏電流數(shù)值。每次試驗結(jié)束之后,需要對電池模塊殘余電荷進(jìn)行釋放。

表2 漏電流測試工況Table 2 Leakage current test conditions

3 試驗結(jié)果及分析

3.1 電勢疊加現(xiàn)象驗證

測試對象為一臺完整的儲能電池單元,另外準(zhǔn)備了絕緣測試儀器、萬用表及防護(hù)工具等進(jìn)行絕緣測試。

設(shè)置500 V的電壓值進(jìn)行負(fù)極對地絕緣試驗。在這個試驗中,電池模塊的負(fù)極對地電壓為500 V,測試負(fù)極的第一個電芯對地絕緣為500 V,而遠(yuǎn)離負(fù)極的第a個電芯對地電壓為665 V。這兩者的電勢差剛好近似等于a-1個電芯本身壓差之和。

進(jìn)行正極對地絕緣試驗。在這個試驗中,電池模塊的正極對地電壓為500 V,測試正極的第一個電芯對地絕緣電壓為500 V,而遠(yuǎn)離正極的第a個電芯對地電壓為335 V。同樣,這兩者的電勢差也剛好近似等于a-1個電芯本身壓差之和。(a≤N,N為電池包中電芯總數(shù))重復(fù)上述試驗,設(shè)置1 000 V電壓值,得到相同結(jié)果。由于耐壓試驗在電壓施加上的原理與絕緣測試一致,故不作贅述。

由此說明,儲能電池單元在絕緣或耐壓過程中確實存在電勢疊加的情況。針對1 500 V系統(tǒng),在負(fù)極進(jìn)行國標(biāo)2.5 kV的絕緣測試時,遠(yuǎn)離總負(fù)電池模塊的電壓逐級升高,最高可達(dá)4 000 V。

因此,在結(jié)構(gòu)設(shè)計、線束選擇和BMU板卡等方面,需按照4 000 V或更高水平進(jìn)行設(shè)計和執(zhí)行。

3.2 儲能電池單元可靠性研究

在工況1條件下,絕緣及耐壓測試均未發(fā)生擊穿、閃絡(luò)現(xiàn)象,對模塊復(fù)測通訊、電壓及溫度數(shù)據(jù)均無異常。因此后續(xù)測試僅針對工況2開展。表3為工況1絕緣、耐壓測試結(jié)果。

表3 工況1測試結(jié)果Table 3 Test results for condition 1

由于儲能電池模塊由電池主體(結(jié)構(gòu)件+模塊)、線束和BMU構(gòu)成,三者中絕緣耐壓水平最低者決定了儲能電池模塊的絕緣耐壓上限。首先考慮從結(jié)構(gòu)相對簡單的線束入手,通過改變線束與電池框架的距離、線束是否存在尖端、線束絕緣包裹層數(shù)等參數(shù),來驗證測試對象的放電因素以及對儲能電池單元可靠性的影響。

3.2.1 絕緣能力研究

在不同工況條件下使用絕緣測試設(shè)備(量程范圍DC:0～5 kV)對產(chǎn)品逐級施加直流電壓,直至發(fā)生擊穿、閃絡(luò),并記錄邊界電壓值。不同工況下絕緣測試結(jié)果如表4所示。

表4 不同工況下絕緣測試結(jié)果Table 4 Insulation test results under different working conditions

由此說明當(dāng)線束不存在絕緣缺陷時,在測試設(shè)備條件允許下,可達(dá)到5 kV及以上絕緣能力。即在存在電勢疊加的實際應(yīng)用條件下,測試對象仍能夠滿足絕緣國標(biāo)2.5 kV、1.1倍電壓裕度(實際DC 4.4 kV)的絕緣要求。存在絕緣缺陷的高壓線束可能會造成局部放電,距離另一導(dǎo)體越近,越易發(fā)生放電現(xiàn)象,進(jìn)而造成電池模塊及BMU絕緣耐壓能力下降,尤其易對BMU造成破壞性損傷。

3.2.2 耐壓能力探究

在不同工況條件下使用耐壓測試設(shè)備對產(chǎn)品逐級施加直流電壓,緩慢抬升,直至發(fā)生擊穿、閃絡(luò),并記錄邊界電壓值。不同工況下耐壓測試結(jié)果如表5所示。

表5 不同工況下耐壓測試結(jié)果Table 5 Voltage withstand test results under different working conditions

由此說明,當(dāng)線束不存在絕緣缺陷時,在測試設(shè)備條件允許下,儲能電池儲能電池模塊可達(dá)到7.4 kV及以上的絕緣能力。根據(jù)2.2節(jié)中海拔-耐壓關(guān)系,可推算在高海拔條件下(4 800 m),儲能電池單元仍能耐受DC 3.8 kV的電壓。然而,如果高壓線束存在絕緣缺陷,可能會導(dǎo)致局部放電,進(jìn)而降低電池模塊及BMU的絕緣耐壓能力,尤其易對BMU造成破壞性損傷。對線束進(jìn)行絕緣防護(hù),例如增加絕緣膠帶的包裹可有效提升產(chǎn)品的耐壓能力。在理想狀態(tài)下,儲能電池模塊及其管理單元可耐受DC 8.0 kV及以上電壓。

3.3 可靠性提升方案

根據(jù)2.2節(jié)中試驗結(jié)果分析,線束是否存在尖端、線束與鈑金框架距離、線束絕緣包裹情況等是影響線束放電的三個重要方面。

針對上述影響因素可以從以下兩個方向提升產(chǎn)品的可靠性。

(1)結(jié)構(gòu)改進(jìn):增加線束與鈑金之間的間隙,至少4 mm以上;同時增加儲能電池單元鈑金的絕緣包覆結(jié)構(gòu),形成絕緣隔離。

(2)工藝改進(jìn):提升線束的工藝水平,在采樣線焊點處包裹3～4層電工絕緣膠帶后再包裹布基膠帶以避免焊點與鈑金結(jié)構(gòu)產(chǎn)生尖端,或?qū)⒑附庸に嚫臑閴航庸に嚒?/p>

4 總結(jié)

本文通過理論分析及電氣試驗驗證了儲能電池單元在絕緣耐壓過程中存在電勢疊加現(xiàn)象,在理想狀態(tài)下,儲能電池單元的絕緣可超過5 kV,耐壓能力可超過8.0 kV。根據(jù)海拔-耐壓關(guān)系推算,儲能電池單元在高海拔條件下(4 800 m)仍可應(yīng)用。本文還重點討論了放電對儲能電池單元絕緣耐壓的影響,并通過改變線束與電池框架的距離、線束是否存在尖端、線束絕緣包裹層數(shù)等參數(shù)進(jìn)行了驗證。結(jié)果表明,線束尖端距離鈑金4 mm以內(nèi)即可能會發(fā)生放電,從而降低儲能電池單元的可靠性。通過增加絕緣包裹、改進(jìn)線束工藝、增強(qiáng)絕緣防護(hù)等措施能夠極大提升產(chǎn)品穩(wěn)定性。另外,絕緣耐壓試驗是一種破壞性試驗,因此,在一些缺少備品或修復(fù)時間較長的關(guān)鍵設(shè)備中,應(yīng)慎重考慮是否進(jìn)行絕緣耐壓試驗。當(dāng)然,此次針對儲能電池單元可靠性的研究仍有很多不足。一方面,受限于絕緣測試設(shè)備的量程,未能繼續(xù)探究絕緣的邊界;另一方面,在探究絕緣耐壓影響因素時,僅考慮了結(jié)構(gòu)相對簡單的線束,而對于電池模塊結(jié)構(gòu)和管理單元的內(nèi)部因素對整體絕緣耐壓的影響將在以后的研究中進(jìn)行探索。