基于级联H桥变换器的邱健蓄电池储能系统雷电浪涌分析

本文研究了基于级联H桥变换器的电池储能系统（CHBC-BESS）中的雷电过电压问题。首先建立了CHBC-BESS的高频（HF）模型。分析了四种雷击情况，包括雷击风力发电机（WT）叶片、风电场（WF）内的输电塔以及35或220 kV电网的末端塔。讨论了BESS布局方案、避雷装置和线路避雷器（LSAs）的影响。结果表明，源自35 kV电网的浪涌会引发最高的过电压，串联电抗器电网侧的峰值电压为496.54 kV，CHBC-BESS交流端的峰值电压为57.27 kV。尽管电抗器为CHBC-BESS提供了浪涌保护，但在极端条件下仍可能导致电力转换系统（PCS）失效。此外，当功率模块（PMs）和电池簇分散布置时，过电压风险会增加；具体而言，子模块1（SM1）交流端两端的峰值电压从1.70 kV升至3.43 kV。

引言

风能和太阳能等可再生能源（RE）资源的高渗透率给电力系统运行带来了巨大挑战。维持电力系统可靠性的有前景的解决方案之一是集成储能系统（ESSs）[1]。与以抽水蓄能和飞轮储能为代表的物理储能方法相比，锂离子电池储能系统（BESS）凭借高效率、短循环时间、地理限制少以及建设难度低等显著优势，已成为快速发展的电化学储能方法之一[2,3]。随着电池储能站的容量突破百兆瓦规模并向吉瓦级迈进，对BESS的安全、运行效率和动态性能提出了日益严格的要求。因此，各种高压锂离子电池（HV-LIBs）和模块化多电平变换器方案被提出[4][5]。HV-LIBs需要大量电池单元串并联，这导致了环流、电池单元与模块不一致性以及荷电状态（SOC）不平衡等挑战，阻碍了其发展[6]。基于级联H桥变换器的电池储能系统（CHBC-BESS）呈现出高度模块化的配置，能够无需升压变压器直接连接至中压（MV）或高压（HV）电网，从而消除了与变压器相关的损耗[7]。
先前已有关于BESS控制策略优化、故障保护及绝缘失效问题的研究。文献[10]研究了考虑电池参数不一致的35 kV CHBC-BESS主电路参数设计与控制。考虑到LIBs的失效特性，分析了电极和壳体过电压在不同应用方式下LIBs的电气与热行为。失效过程被分为五个阶段：电荷极化、离子传导、电解质分解与电阻升高、导通熔断以及壳体-电极短路[11]。文献[12]综述了BESS中DC弧光故障的机理、检测、预警策略及保护措施。该文献强调，通常由机械碰撞、连接松动和绝缘损坏引起的DC弧光故障已成为安全事故的主要原因之一。进一步考察了BESS内部串联弧光的演变及其相关的危害原理，并揭示了弧光诱发电池故障的失效路径[13]。通过建立考虑不同运行模式和故障穿越控制策略的电磁暂态平均值模型，分析了电网故障下BESS的电压和电流特性[14]。系统讨论了大容量BESS的设计考量因素，得出结论认为无变压器功率变换系统（PCS）结构所需的高压等级为H-bri...
一些研究聚焦于BESS中的雷电浪涌。针对风机-光伏-电池储能混合系统中的雷电过电压进行了研究，结果表明源自光伏系统的浪涌不会影响风电场（WF）、BESS以及混合变电站[16]。文献[17]讨论了SPD对太阳能光伏-电池储能混合系统直流侧和交流侧雷击感应电压的影响，并提出了一种推荐的SPD安装方案。然而，这些研究主要集中在采用传统三相两电平PCS的低压BESS上，其交流端通过升压变压器连接至电网。此外，关于BESS内部各点雷电过电压的计算与分析仍显不足。相比之下，CHBC-BESS通过串联电抗器与MV或HV电网接口，使得雷电浪涌成为对设备的直接威胁，从而导致过电压特性出现显著差异。首先，串联电抗器直接暴露于浪涌中，可能危及绕组绝缘。此外，由大量绝缘栅双极晶体管（IGBTs）组成的H桥PM对过电压和过电流高度敏感。最关键的是，如果LIB发生绝缘失效导致电弧或短路，可能会引发热失控，造成潜在的灾难性后果[18]。因此，它“
本文详细研究了CHBC-BESS的雷电暂态特性。建立了包含电池簇、DC-link电容器、PCS和串联电抗器等关键部件在内的CHBC-BESS暂态电路模型。考虑了四种雷击情况，包括风机（WT）叶片受雷击、WF内输电塔受雷击以及35或220 kV电网终端塔受雷击。针对每种雷击场景，计算了CHBC-BESS关键点的过电压，并评估了其对设备绝缘的影响。此外，通过电磁暂态仿真，分析了BESS布局方案、避雷装置和线路避雷器（LSAs）的影响。研究结果为不同应用场景下CHBC-BESS的防雷设计提供了参考依据。