直掛儲(chǔ)能系統(tǒng)的多級(jí)保護(hù)配置設(shè)計(jì)

摘 要：【目的】?jī)?chǔ)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)模化發(fā)展已成為必然趨勢(shì)。為提高直掛儲(chǔ)能系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)的安全性和穩(wěn)定性，需要對(duì)直掛儲(chǔ)能系統(tǒng)進(jìn)行多級(jí)保護(hù)配置設(shè)計(jì)?！痉椒ā炕谥睊靸?chǔ)能系統(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(duì)直掛儲(chǔ)能系統(tǒng)進(jìn)行多級(jí)保護(hù)配置設(shè)計(jì)?！窘Y(jié)果】該直掛儲(chǔ)能系統(tǒng)的多級(jí)保護(hù)配置包括器件級(jí)保護(hù)、閥組級(jí)保護(hù)、系統(tǒng)級(jí)保護(hù)，同時(shí)考慮了絕緣柵雙極晶體管的耐受能力?！窘Y(jié)論】該設(shè)計(jì)配置具有層次分明、配置合理的保護(hù)體系，保證直掛儲(chǔ)能系統(tǒng)的可靠性和經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。

關(guān)鍵詞：直掛儲(chǔ)能系統(tǒng)；保護(hù)配置；參數(shù)整定；多級(jí)保護(hù)；儲(chǔ)能變流器

中圖分類號(hào)：TM911" " "文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " 文章編號(hào)：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(biāo)背景下和打造國(guó)家清潔能源產(chǎn)業(yè)驅(qū)動(dòng)下，儲(chǔ)能規(guī)?；l(fā)展已成為必然趨勢(shì)，加快儲(chǔ)能建設(shè)是提高系統(tǒng)調(diào)節(jié)能力［1］、促進(jìn)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(chǔ)能系統(tǒng)將儲(chǔ)能單元在低壓交流側(cè)并聯(lián)［4］，通過(guò)升壓變壓器逐級(jí)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(wèn)題，難以適應(yīng)未來(lái)建設(shè)百M(fèi)W級(jí)與GW級(jí)儲(chǔ)能電站的需求［4，9］?；趦?chǔ)能變流器（Power Conversion System，PCS）的高壓直掛儲(chǔ)能系統(tǒng)具有高度模塊化結(jié)構(gòu)，且與傳統(tǒng)儲(chǔ)能系統(tǒng)相比，直掛儲(chǔ)能系統(tǒng)不僅實(shí)現(xiàn)了單機(jī)大容量化，還能滿足高效率、高可靠性和經(jīng)濟(jì)性需求［1，7，9，10］。

目前，與直掛儲(chǔ)能系統(tǒng)的分層保護(hù)配置有關(guān)的研究相對(duì)較少，且缺乏層級(jí)分明、配置合理的成套保護(hù)體系。丁凱等［11］提出一種帶有多級(jí)保護(hù)控制的儲(chǔ)能系統(tǒng)，假設(shè)雙向充放電設(shè)備（PCS）內(nèi)置的保護(hù)詳盡完備為前提，其劃分的層級(jí)保護(hù)范圍較為寬泛。PCS是儲(chǔ)能技術(shù)中的核心組件，其既可作為電網(wǎng)與儲(chǔ)能裝置之間的接口，又可作為主電源支撐微網(wǎng)的運(yùn)行［12］，需要有針對(duì)性地分層保護(hù)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(chǔ)能產(chǎn)品為代表的電力電子設(shè)備保護(hù)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(hù)電力電子器件。因此，對(duì)直掛儲(chǔ)能系統(tǒng)的保護(hù)需要進(jìn)一步統(tǒng)籌考慮。

針對(duì)上述問(wèn)題，本研究在考慮IGBT耐受能力的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了基于直掛儲(chǔ)能系統(tǒng)的多級(jí)保護(hù)配置，包括器件級(jí)保護(hù)、閥組級(jí)保護(hù)、系統(tǒng)級(jí)保護(hù)這三層保護(hù)。

1 直掛儲(chǔ)能系統(tǒng)組成

直掛儲(chǔ)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(gè)功率單元級(jí)聯(lián)，每個(gè)功率模塊由H橋逆變器、直流側(cè)無(wú)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(jí)聯(lián)H橋變換器的直流側(cè)，通過(guò)H橋升高交流輸出端串聯(lián)電壓，并通過(guò)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(jì)性。

2 直掛儲(chǔ)能系統(tǒng)保護(hù)配置

直掛儲(chǔ)能系統(tǒng)保護(hù)配置分為三層保護(hù)：第一層保護(hù)是針對(duì)PCS功率單元的器件級(jí)保護(hù)，通過(guò)模塊控制保護(hù)單元（Single Module Controller，SMC）實(shí)現(xiàn)；第二層保護(hù)是針對(duì)PCS成套閥組的閥組級(jí)保護(hù)，通過(guò)閥控單元（Valve Base Control unit，VBC）實(shí)現(xiàn)；第三層保護(hù)是針對(duì)直掛儲(chǔ)能系統(tǒng)的系統(tǒng)級(jí)保護(hù)，通過(guò)主控單元（Primary Control amp; Protection unit，PCP）實(shí)現(xiàn)，需要進(jìn)行保護(hù)定值整定。直掛儲(chǔ)能系統(tǒng)保護(hù)配置框架如圖1所示。

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

SMC對(duì)PCS功率單元的狀態(tài)信息進(jìn)行采集，并通過(guò)光纖上送至VBC，同時(shí)接收VBC下發(fā)的信號(hào)，實(shí)現(xiàn)對(duì)PCS功率單元的控制保護(hù)；VBC對(duì)PCS成套閥組的狀態(tài)信息進(jìn)行匯總，并通過(guò)光纖上送至PCP，同時(shí)通過(guò)光纖接收PCP下發(fā)的信號(hào)，實(shí)現(xiàn)對(duì)閥組的控制保護(hù)；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(hù)邏輯計(jì)算，并通過(guò)光纖發(fā)送信號(hào)至VBC。同時(shí)，PCP對(duì)直掛儲(chǔ)能系統(tǒng)的狀態(tài)信息進(jìn)行采集處理和保護(hù)邏輯計(jì)算，實(shí)現(xiàn)對(duì)直掛儲(chǔ)能系統(tǒng)的控制保護(hù)。

2.1 器件級(jí)保護(hù)

器件級(jí)保護(hù)通過(guò)SMC來(lái)檢測(cè)閥組內(nèi)部器件級(jí)的故障，并對(duì)多種元器件故障設(shè)有主動(dòng)保護(hù)措施。器件級(jí)保護(hù)主要包括IGBT過(guò)壓保護(hù)和IGBT過(guò)流保護(hù)，且IGBT過(guò)壓和過(guò)流保護(hù)通過(guò)采用驅(qū)動(dòng)板自帶的硬件保護(hù)電路實(shí)現(xiàn)。

2.2 閥組級(jí)保護(hù)

閥組級(jí)保護(hù)由VBC檢測(cè)較嚴(yán)重的閥組級(jí)故障，如每相功率模組數(shù)目冗余不足、合旁路開(kāi)關(guān)失敗等。當(dāng)發(fā)生閥組級(jí)故障時(shí)，SMC通過(guò)檢測(cè)電路和邏輯判斷，將對(duì)應(yīng)的閥組級(jí)保護(hù)信息上傳至VBC，VBC下發(fā)旁路命令至對(duì)應(yīng)模組，同時(shí)VBC向PCP發(fā)送保護(hù)信息，PCS延時(shí)保護(hù)跳閘。

2.2.1 閥組直流側(cè)過(guò)欠壓保護(hù)。當(dāng)SMC通過(guò)電容直流電壓采樣電路檢測(cè)到電容直流電壓超過(guò)或低于預(yù)設(shè)定值時(shí)，對(duì)應(yīng)的需要上送的閥組級(jí)保護(hù)信息為過(guò)欠壓保護(hù)。該保護(hù)能有效防止預(yù)充電和運(yùn)行過(guò)程中因故障而導(dǎo)致的各功率單元的直流側(cè)過(guò)欠電壓，保護(hù)閥組內(nèi)部器件。

2.2.2 閥組過(guò)溫保護(hù)。當(dāng)SMC通過(guò)溫度保護(hù)電路檢測(cè)到閥組溫度超過(guò)預(yù)設(shè)定值時(shí)，對(duì)應(yīng)的需要上送的閥組級(jí)保護(hù)信息為過(guò)溫保護(hù)。該保護(hù)能有效防止運(yùn)行過(guò)程中因閥組過(guò)熱而導(dǎo)致的元器件損壞。

2.2.3 閥組驅(qū)動(dòng)異常保護(hù)。當(dāng)SMC通過(guò)驅(qū)動(dòng)邏輯產(chǎn)生和校驗(yàn)電路檢測(cè)到驅(qū)動(dòng)信號(hào)或驅(qū)動(dòng)板卡發(fā)生異常時(shí)，對(duì)應(yīng)的需要上送的閥組級(jí)保護(hù)信息為驅(qū)動(dòng)異常保護(hù)。該保護(hù)能有效防止運(yùn)行過(guò)程中因閥組驅(qū)動(dòng)異常而導(dǎo)致的元器件損壞。

2.2.4 閥組電源故障保護(hù)。當(dāng)SMC通過(guò)電源監(jiān)視電路檢測(cè)到電源發(fā)生故障時(shí)，對(duì)應(yīng)的需要上送的閥組級(jí)保護(hù)信息為電源故障保護(hù)。該保護(hù)能有效防止運(yùn)行過(guò)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(jí)保護(hù)

系統(tǒng)級(jí)保護(hù)對(duì)直掛儲(chǔ)能系統(tǒng)進(jìn)行保護(hù)，該類故障一般為較嚴(yán)重的故障。當(dāng)?shù)蛪簜?cè)發(fā)生系統(tǒng)級(jí)故障時(shí)，PCP下發(fā)閉鎖脈沖命令至VBC，通過(guò)出口板卡跳主開(kāi)關(guān)QF和旁路開(kāi)關(guān)KM，將其從電網(wǎng)中切除，PCS延時(shí)保護(hù)跳閘；當(dāng)高壓側(cè)發(fā)生系統(tǒng)級(jí)故障時(shí)，通過(guò)閉鎖直掛儲(chǔ)能以躲避故障。系統(tǒng)交流間隔區(qū)主接線與保護(hù)測(cè)點(diǎn)配置如圖2所示。

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

系統(tǒng)過(guò)壓保護(hù)包括系統(tǒng)側(cè)交流過(guò)壓Ⅰ段保護(hù)和系統(tǒng)側(cè)交流過(guò)壓閉鎖。整定系統(tǒng)側(cè)交流過(guò)壓Ⅰ段保護(hù)動(dòng)作定值為[Uop，T]，見(jiàn)式（1）。

2.3.2 系統(tǒng)過(guò)/欠頻保護(hù)。當(dāng)系統(tǒng)頻率在一定范圍內(nèi)過(guò)高或過(guò)低時(shí)，對(duì)系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，輸出電流與系統(tǒng)頻率一致，對(duì)系統(tǒng)安全性沒(méi)有影響。針對(duì)該情況，可通過(guò)是否跳閘開(kāi)放軟壓板選擇。

2.3.3 系統(tǒng)零序電壓保護(hù)。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(shí)，由于系統(tǒng)三相線電壓依然對(duì)稱，PCS可繼續(xù)正常運(yùn)行。但是，由于非故障相電壓升高為線電壓，長(zhǎng)期運(yùn)行會(huì)對(duì)PCS絕緣產(chǎn)生影響。針對(duì)該情況，可通過(guò)是否跳閘開(kāi)放軟壓板選擇。

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

2.3.5 系統(tǒng)過(guò)負(fù)荷保護(hù)。當(dāng)PCS閥電流長(zhǎng)期過(guò)負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，系統(tǒng)過(guò)負(fù)荷保護(hù)可避免功率器件等出現(xiàn)故障。

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

2.3.7 系統(tǒng)負(fù)序過(guò)流保護(hù)。當(dāng)系統(tǒng)電壓不對(duì)稱時(shí)，星型PCS會(huì)輸出一定的負(fù)序電流，系統(tǒng)負(fù)序過(guò)流保護(hù)可避免負(fù)序電流過(guò)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(hù)。裝置配置兩段主斷路失靈保護(hù)，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(yán)重故障導(dǎo)致高壓側(cè)電壓過(guò)低時(shí)，系統(tǒng)難以穩(wěn)定運(yùn)行，此時(shí)需要考慮閉鎖儲(chǔ)能以躲過(guò)故障。

3 結(jié)語(yǔ)

本研究根據(jù)直掛儲(chǔ)能系統(tǒng)保護(hù)工程化的實(shí)際應(yīng)用需求，設(shè)計(jì)了包含器件級(jí)保護(hù)、閥組級(jí)保護(hù)和系統(tǒng)保護(hù)保護(hù)的基于直掛儲(chǔ)能系統(tǒng)的多級(jí)保護(hù)配置，建立并分析不同層級(jí)保護(hù)的保護(hù)范圍和應(yīng)用效果。本研究設(shè)計(jì)的保護(hù)配置具有層級(jí)分明、配置合理的保護(hù)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(yùn)行的同時(shí)，保證直掛儲(chǔ)能系統(tǒng)的可靠性和經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。

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