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新艾电气:储能系统BMS绝缘电阻检测原理分析及解决方案

作者:中国储能网新闻中心 来源:新艾电气 发布时间:2019-08-16 浏览:
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摘要:现有的储能系统BMS检测绝缘阻抗时,通常直接借用电动汽车动力电池的绝缘电阻检测方法。而参考电动汽车安全要求第1部分GB/T 18384.1-2015中给出的绝缘电阻测量原理,一般会采用电桥法进行测量。绝缘电阻不是我们常规理解的定值电阻,它与系统中固有的杂散分布式电容或对地Y电容等有关,会导致国标中给出的测试方法失效。这种失效现象目前在大容量储能系统中非常突出,本文将从原理上进行分析。

关键字:BMS,PCS,绝缘检测,绝缘阻抗,储能系统

一、引言

储能系统为整个电力网络的调度提供能量支撑,同时参与电力系统的供需管理,是电力系统发输配用多个环节的重要组成部分。根据研究公司彭博新能源财经 (BNEF)的最新预测,到2040年,世界各地的储能设施将成倍增长,从2018年部署的9GW/17GWh,到1,095GW/2,850GWh。

随着储能行业的发展,大规模储能系统的安全性问题日益凸显。在储能系统中,电池管理系统(BMS)和储能变流器(PCS)作为核心组件,提供了核心安全管理,对整个储能系统的绝缘状况进行监测和控制。本文通过对现有储能系统,特别是非隔离,多机并联系统出现的BMS绝缘误报问题,进行了直流绝缘检测的标准解读和原理分析,提出了针对目前BMS绝缘检测改进的方法及解决措施。

二、直流绝缘检测的标准和原理

在GB/T 18384.1-2015车载可充电储能系统中规定BMS需要对动力电池系统所有部件集成完毕的状态下进行绝缘检测,且采用绝缘电阻阻值来衡量绝缘状态。绝缘电阻可分为总正对地和总负对地。

现有的储能系统BMS检测通常直接借用车载系统及其标准,主要采用电桥法测量,结合PCS(储能变流器)系统,整个储能系统的绝缘检测原理如下图1-1所示:

图1-1 储能系统绝缘检测原理

根据上图,Rx是BAT+对地电阻,Ry是BAT-对地电阻,R1,R2是测量用的已知阻值的标准电阻,测量方法如下:

步骤1:闭合RLY1,断开RLY2,采集U1点对地的电压为U1,采集电池的总电压为U;

步骤2:闭合RLY2,断开RLY1,采集U2点对地的电压为U2,采集电池的总电压为U;

分时切换RLY1和RLY2,根据步骤1和步骤2,以及上述两个方程,进而可解出Rx,Ry的值;Rx和Ry分别为电池总正和总负对地的绝缘阻抗值。

三、储能系统绝缘检测的问题及其分析

将上述检测方法应用于大容量储能系统后,出现了误报绝缘阻抗过低,实际并无绝缘异常的问题。以下将对误报的原因进行分析。

1.电桥法的自身问题

在采用电桥法测量绝缘电阻的过程中,当闭合KM2后,电池与PCS系统直流侧相连接,由于PCS内部有对地Y电容,根据检测原理图2-1所示,电池的绝缘检测回路在进行通道切换时,Rx,Ry,R1,R2等电阻连接了电池正,负以及PE,在进行正负分别切换检测时,PE点相对于电池正和负会有电平跳动,会通过PE、Y电容、电池线缆形成回路,给PCS内部的Y电容充放电。

图2-1 绝缘检测回路对PCS侧Y电容充放电回路

电池正负对地的阻抗检测回路在进行切换过程中,PCS直流侧对地的Y电容对地会有充放电,在交流耦合过程中,电容对地阻抗非常小,绝缘阻抗的检测结果也会很小,进而报出绝缘检测故障。

2.非隔离系统

对于非隔离PCS系统,PCS交流侧挂接于市电,由于市电侧可能挂接多种负荷,市电的交流进线相对于PE的阻抗较小,在非隔离系统中,除了直流侧检测中的充放电回路,PCS一旦闭合交流接触器或者继电器,相比于PCS开机工作(闭合交流侧接触器或继电器)之前,同样采用电桥法测量,直流侧的绝缘阻抗检测会更低,甚至趋近于0。

图2-2 非隔离系统绝缘检测市电侧回路示意

3.多机非隔离并联

对于采用多模块非隔离并联系统,非隔离PCS可以简单理解为电池端到交流端有一定的阻抗,这样BMS内阻通过PCS内阻到交流端并联,进而呈现了阻抗并联的效果,大规模并联后,采用电桥法测量绝缘阻抗时,BMS的检测回路也会通过非隔离系统并联,降低绝缘阻抗检测值。

所以对于多机并联检测,需要一定的BMS时序控制,避免BMS检测内阻相互影响。

图2-3 多模块非隔离并联内阻示意图

通过上述分析,综合整个储能系统应用来看,影响到储能系统BMS绝缘检测问题的主要两个因素是,电桥法,BMS检测内阻;

四、解决方案

最直接有效的是不采用电桥法来检测绝缘电阻,可以采用主动注入式检测法等,这里不再详述;可以直接实时检测非隔离,多机并联的交直流绝缘阻抗。

若仍然采用电桥法,根据BMS绝缘检测内阻和PCS 端口Y电容容量,BMS延长通道切换至绝缘电阻采样读取的时间,确保BMS检测过程中的充放电回路稳定;同时对于多模块并联系统方案,绝缘检测采用轮询方式,可以解决电桥法引入的绝缘阻抗检测值偏低问题。

储能系统采用的是梯次退役电池,并且如果BMS策略根据储能系统更新维护困难,可以屏蔽BMS自身电桥法绝缘检测功能,外加多分支的绝缘检测装置来解决。

(本文为新艾电气原创)

关键字:BMS,PCS,绝缘检测,绝缘阻抗,储能系统

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