摘 要：【目的】儲能系統(tǒng)作為支撐新型電力系統(tǒng)的重要技術(shù)和基礎(chǔ)裝備，其規(guī)?；l(fā)展已成為必然趨勢。為提高直掛儲能系統(tǒng)運行時的安全性和穩(wěn)定性，需要對直掛儲能系統(tǒng)進行多級保護配置設(shè)計?！痉椒ā炕谥睊靸δ芟到y(tǒng)結(jié)構(gòu)，結(jié)合器件、部件和系統(tǒng)的工作原理及邏輯關(guān)系，對直掛儲能系統(tǒng)進行多級保護配置設(shè)計?！窘Y(jié)果】該直掛儲能系統(tǒng)的多級保護配置包括器件級保護、閥組級保護、系統(tǒng)級保護，同時考慮了絕緣柵雙極晶體管的耐受能力。【結(jié)論】該設(shè)計配置具有層次分明、配置合理的保護體系，保證直掛儲能系統(tǒng)的可靠性和經(jīng)濟運行。

關(guān)鍵詞：直掛儲能系統(tǒng)；保護配置；參數(shù)整定；多級保護；儲能變流器

中圖分類號：TM911" " "文獻標志碼：A" " 文章編號：1003-5168（2025）02-0009-05

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2025.02.002

Abstract：[Purposes] As an important technology and basic equipment to support the brand-new power system， the large-scale development of energy storage has become an inevitable trend. In order to improve the safety and stability of the transformer-less battery energy storage system， it is necessary to design the multi-level protection configuration. [Methods] Based on the structure， working principle and logical relationship of the device， component and system， the multi-level protection configuration design based on the transformer-less battery energy storage system is designed. [Findings] The designed configuration includes module-level protection， valve-block-level protection， and system-level protection. At the same time， the tolerance of the insulated gate bipolar transistor is considered. [Conclusions] The designed configuration has a hierarchical and reasonable protection system， which can ensure the reliability and economic operation ability of the transformer-less battery energy storage system.

Keywords： transformer-less battery energy storage system; protection configuration; parameter tuning; multi-level protection; power conversion system

0 引言

在“雙碳”目標背景下和打造國家清潔能源產(chǎn)業(yè)驅(qū)動下，儲能規(guī)?；l(fā)展已成為必然趨勢，加快儲能建設(shè)是提高系統(tǒng)調(diào)節(jié)能力［1］、促進新能源消納［2］的有效措施，也是構(gòu)建新型電力系統(tǒng)的重要基礎(chǔ)［3］。

傳統(tǒng)的儲能系統(tǒng)將儲能單元在低壓交流側(cè)并聯(lián)［4］，通過升壓變壓器逐級升壓后接入高壓電網(wǎng)［5］，存在能量循環(huán)效率低、環(huán)流［6］、功率不均分［7］和穩(wěn)定性差［8］等問題，難以適應(yīng)未來建設(shè)百MW級與GW級儲能電站的需求［4，9］?；趦δ茏兞髌鳎≒ower Conversion System，PCS）的高壓直掛儲能系統(tǒng)具有高度模塊化結(jié)構(gòu)，且與傳統(tǒng)儲能系統(tǒng)相比，直掛儲能系統(tǒng)不僅實現(xiàn)了單機大容量化，還能滿足高效率、高可靠性和經(jīng)濟性需求［1，7，9，10］。

目前，與直掛儲能系統(tǒng)的分層保護配置有關(guān)的研究相對較少，且缺乏層級分明、配置合理的成套保護體系。丁凱等［11］提出一種帶有多級保護控制的儲能系統(tǒng)，假設(shè)雙向充放電設(shè)備（PCS）內(nèi)置的保護詳盡完備為前提，其劃分的層級保護范圍較為寬泛。PCS是儲能技術(shù)中的核心組件，其既可作為電網(wǎng)與儲能裝置之間的接口，又可作為主電源支撐微網(wǎng)的運行［12］，需要有針對性地分層保護措施。此外，常規(guī)的交流產(chǎn)品定值整定一般以短路電流大小為依據(jù)，而以直掛儲能產(chǎn)品為代表的電力電子設(shè)備保護定值整定要考慮絕緣柵雙極晶體管（Insulated Gate Bipolar Transistor，IGBT）的耐受能力，從而保護電力電子器件。因此，對直掛儲能系統(tǒng)的保護需要進一步統(tǒng)籌考慮。

針對上述問題，本研究在考慮IGBT耐受能力的基礎(chǔ)上，設(shè)計了基于直掛儲能系統(tǒng)的多級保護配置，包括器件級保護、閥組級保護、系統(tǒng)級保護這三層保護。

1 直掛儲能系統(tǒng)組成

直掛儲能系統(tǒng)中的PCS呈三相星形或角形聯(lián)結(jié)，每一相有n個功率單元級聯(lián)，每個功率模塊由H橋逆變器、直流側(cè)無源濾波器、直流斷路器和電池簇等部件組成。電池簇分散接入級聯(lián)H橋變換器的直流側(cè)，通過H橋升高交流輸出端串聯(lián)電壓，并通過交流側(cè)濾波電感直接接入電網(wǎng)，而不用工頻變壓器，具有更高的效率和經(jīng)濟性。

2 直掛儲能系統(tǒng)保護配置

直掛儲能系統(tǒng)保護配置分為三層保護：第一層保護是針對PCS功率單元的器件級保護，通過模塊控制保護單元（Single Module Controller，SMC）實現(xiàn)；第二層保護是針對PCS成套閥組的閥組級保護，通過閥控單元（Valve Base Control unit，VBC）實現(xiàn)；第三層保護是針對直掛儲能系統(tǒng)的系統(tǒng)級保護，通過主控單元（Primary Control amp; Protection unit，PCP）實現(xiàn)，需要進行保護定值整定。直掛儲能系統(tǒng)保護配置框架如圖1所示。

SMC由驅(qū)動板硬件保護電路、電容直流電壓采樣電路、溫度保護電路、電源監(jiān)視電路、驅(qū)動邏輯產(chǎn)生和校驗電路組成，用于采集儲能變流器功率單元的狀態(tài)信息；PCP具備進線電壓、電流采樣電路和系統(tǒng)檢測電路，用于采集直掛儲能系統(tǒng)的狀態(tài)信息。

SMC對PCS功率單元的狀態(tài)信息進行采集，并通過光纖上送至VBC，同時接收VBC下發(fā)的信號，實現(xiàn)對PCS功率單元的控制保護；VBC對PCS成套閥組的狀態(tài)信息進行匯總，并通過光纖上送至PCP，同時通過光纖接收PCP下發(fā)的信號，實現(xiàn)對閥組的控制保護；PCP接收VBC匯總的閥組狀態(tài)信息，完成數(shù)據(jù)處理和保護邏輯計算，并通過光纖發(fā)送信號至VBC。同時，PCP對直掛儲能系統(tǒng)的狀態(tài)信息進行采集處理和保護邏輯計算，實現(xiàn)對直掛儲能系統(tǒng)的控制保護。

2.1 器件級保護

器件級保護通過SMC來檢測閥組內(nèi)部器件級的故障，并對多種元器件故障設(shè)有主動保護措施。器件級保護主要包括IGBT過壓保護和IGBT過流保護，且IGBT過壓和過流保護通過采用驅(qū)動板自帶的硬件保護電路實現(xiàn)。

2.2 閥組級保護

閥組級保護由VBC檢測較嚴重的閥組級故障，如每相功率模組數(shù)目冗余不足、合旁路開關(guān)失敗等。當(dāng)發(fā)生閥組級故障時，SMC通過檢測電路和邏輯判斷，將對應(yīng)的閥組級保護信息上傳至VBC，VBC下發(fā)旁路命令至對應(yīng)模組，同時VBC向PCP發(fā)送保護信息，PCS延時保護跳閘。

2.2.1 閥組直流側(cè)過欠壓保護。當(dāng)SMC通過電容直流電壓采樣電路檢測到電容直流電壓超過或低于預(yù)設(shè)定值時，對應(yīng)的需要上送的閥組級保護信息為過欠壓保護。該保護能有效防止預(yù)充電和運行過程中因故障而導(dǎo)致的各功率單元的直流側(cè)過欠電壓，保護閥組內(nèi)部器件。

2.2.2 閥組過溫保護。當(dāng)SMC通過溫度保護電路檢測到閥組溫度超過預(yù)設(shè)定值時，對應(yīng)的需要上送的閥組級保護信息為過溫保護。該保護能有效防止運行過程中因閥組過熱而導(dǎo)致的元器件損壞。

2.2.3 閥組驅(qū)動異常保護。當(dāng)SMC通過驅(qū)動邏輯產(chǎn)生和校驗電路檢測到驅(qū)動信號或驅(qū)動板卡發(fā)生異常時，對應(yīng)的需要上送的閥組級保護信息為驅(qū)動異常保護。該保護能有效防止運行過程中因閥組驅(qū)動異常而導(dǎo)致的元器件損壞。

2.2.4 閥組電源故障保護。當(dāng)SMC通過電源監(jiān)視電路檢測到電源發(fā)生故障時，對應(yīng)的需要上送的閥組級保護信息為電源故障保護。該保護能有效防止運行過程中因閥組電源故障而導(dǎo)致的元器件損壞。

2.3 系統(tǒng)級保護

系統(tǒng)級保護對直掛儲能系統(tǒng)進行保護，該類故障一般為較嚴重的故障。當(dāng)?shù)蛪簜?cè)發(fā)生系統(tǒng)級故障時，PCP下發(fā)閉鎖脈沖命令至VBC，通過出口板卡跳主開關(guān)QF和旁路開關(guān)KM，將其從電網(wǎng)中切除，PCS延時保護跳閘；當(dāng)高壓側(cè)發(fā)生系統(tǒng)級故障時，通過閉鎖直掛儲能以躲避故障。系統(tǒng)交流間隔區(qū)主接線與保護測點配置如圖2所示。

2.3.1 系統(tǒng)過/欠壓保護。當(dāng)PCS接入側(cè)的系統(tǒng)線電壓過高/過低或發(fā)生嚴重故障時，系統(tǒng)過/欠壓保護能有效防止電壓過高造成閥組元器件過壓損壞和PCS功率單元電容電壓失穩(wěn)。

系統(tǒng)過壓保護包括系統(tǒng)側(cè)交流過壓Ⅰ段保護和系統(tǒng)側(cè)交流過壓閉鎖。整定系統(tǒng)側(cè)交流過壓Ⅰ段保護動作定值為[Uop，T]，見式（1）。

2.3.2 系統(tǒng)過/欠頻保護。當(dāng)系統(tǒng)頻率在一定范圍內(nèi)過高或過低時，對系統(tǒng)來說，輸出電流與系統(tǒng)頻率一致，對系統(tǒng)安全性沒有影響。針對該情況，可通過是否跳閘開放軟壓板選擇。

2.3.3 系統(tǒng)零序電壓保護。當(dāng) PCS 接入側(cè)的系統(tǒng)側(cè)或閥側(cè)發(fā)生單相接地時，由于系統(tǒng)三相線電壓依然對稱，PCS可繼續(xù)正常運行。但是，由于非故障相電壓升高為線電壓，長期運行會對PCS絕緣產(chǎn)生影響。針對該情況，可通過是否跳閘開放軟壓板選擇。

2.3.4 系統(tǒng)零序電壓保護。當(dāng)PCS閥電流過大時，系統(tǒng)過流保護可防止其造成功率器件損壞等故障。系統(tǒng)過流保護包括系統(tǒng)角內(nèi)過流瞬時保護、系統(tǒng)角內(nèi)過流閉鎖、系統(tǒng)角外過流保護。

2.3.5 系統(tǒng)過負荷保護。當(dāng)PCS閥電流長期過負荷運行時，系統(tǒng)過負荷保護可避免功率器件等出現(xiàn)故障。

2.3.6 系統(tǒng)零序過流保護。當(dāng)PCS發(fā)生相間對地等故障時，系統(tǒng)零序過流保護可避免PCS設(shè)備被損壞。

2.3.7 系統(tǒng)負序過流保護。當(dāng)系統(tǒng)電壓不對稱時，星型PCS會輸出一定的負序電流，系統(tǒng)負序過流保護可避免負序電流過大引起的功率器件損耗及電氣應(yīng)力增大。

2.3.8 系統(tǒng)主斷路器失靈保護。裝置配置兩段主斷路失靈保護，Ⅰ段帶電流判據(jù)，Ⅱ段不帶電流判據(jù)。

2.3.9 電網(wǎng)故障閉鎖和高壓側(cè)正序低電壓閉鎖。當(dāng)高壓側(cè)出現(xiàn)嚴重故障導(dǎo)致高壓側(cè)電壓過低時，系統(tǒng)難以穩(wěn)定運行，此時需要考慮閉鎖儲能以躲過故障。

3 結(jié)語

本研究根據(jù)直掛儲能系統(tǒng)保護工程化的實際應(yīng)用需求，設(shè)計了包含器件級保護、閥組級保護和系統(tǒng)保護保護的基于直掛儲能系統(tǒng)的多級保護配置，建立并分析不同層級保護的保護范圍和應(yīng)用效果。本研究設(shè)計的保護配置具有層級分明、配置合理的保護體系，還考慮了IGBT的耐受能力，在確保電力電子器件穩(wěn)定運行的同時，保證直掛儲能系統(tǒng)的可靠性和經(jīng)濟運行。

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