直掛儲能系統的多級保護配置設計

摘 要：【目的】儲能系統作為支撐新型電力系統的重要技術和基礎裝備，其規模化發展已成為必然趨勢。為提高直掛儲能系統運行時的安全性和穩定性，需要對直掛儲能系統進行多級保護配置設計。【方法】基于直掛儲能系統結構，結合器件、部件和系統的工作原理及邏輯關系，對直掛儲能系統進行多級保護配置設計。【結果】該直掛儲能系統的多級保護配置包括器件級保護、閥組級保護、系統級保護，同時考慮了絕緣柵雙極晶體管的耐受能力。【結論】該設計配置具有層次分明、配置合理的保護體系，保證直掛儲能系統的可靠性和經濟運行。

關鍵詞：直掛儲能系統；保護配置；參數整定；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業驅動下，儲能規模化發展已成為必然趨勢，加快儲能建設是提高系統調節能力［1］、促進新能源消納［2］的有效措施，也是構建新型電力系統的重要基礎［3］。

傳統的儲能系統將儲能單元在低壓交流側并聯［4］，通過升壓變壓器逐級升壓后接入高壓電網［5］，存在能量循環效率低、環流［6］、功率不均分［7］和穩定性差［8］等問題，難以適應未來建設百MW級與GW級儲能電站的需求［4，9］。基于儲能變流器（Power Conversion System，PCS）的高壓直掛儲能系統具有高度模塊化結構，且與傳統儲能系統相比，直掛儲能系統不僅實現了單機大容量化，還能滿足高效率、高可靠性和經濟性需求［1，7，9，10］。

目前，與直掛儲能系統的分層保護配置有關的研究相對較少，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，假設雙向充放電設備（PCS）內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是儲能技術中的核心組件，其既可作為電網與儲能裝置之間的接口，又可作為主電源支撐微網的運行［12］，需要有針對性地分層保護措施。此外，常規的交流產品定值整定一般以短路電流大小為依據，而以直掛儲能產品為代表的電力電子設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，對直掛儲能系統的保護需要進一步統籌考慮。

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

1 直掛儲能系統組成

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

2 直掛儲能系統保護配置

直掛儲能系統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；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；第三層保護是針對直掛儲能系統的系統級保護，通過主控單元（Primary Control amp; Protection unit，PCP）實現，需要進行保護定值整定。直掛儲能系統保護配置框架如圖1所示。

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

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

2.1 器件級保護

器件級保護通過SMC來檢測閥組內部器件級的故障，并對多種元器件故障設有主動保護措施。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動板自帶的硬件保護電路實現。

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，如每相功率模組數目冗余不足、合旁路開關失敗等。當發生閥組級故障時，SMC通過檢測電路和邏輯判斷，將對應的閥組級保護信息上傳至VBC，VBC下發旁路命令至對應模組，同時VBC向PCP發送保護信息，PCS延時保護跳閘。

2.2.1 閥組直流側過欠壓保護。當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設定值時，對應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充電和運行過程中因故障而導致的各功率單元的直流側過欠電壓，保護閥組內部器件。

2.2.2 閥組過溫保護。當SMC通過溫度保護電路檢測到閥組溫度超過預設定值時，對應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致的元器件損壞。

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

2.2.4 閥組電源故障保護。當SMC通過電源監視電路檢測到電源發生故障時，對應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致的元器件損壞。

2.3 系統級保護

系統級保護對直掛儲能系統進行保護，該類故障一般為較嚴重的故障。當低壓側發生系統級故障時，PCP下發閉鎖脈沖命令至VBC，通過出口板卡跳主開關QF和旁路開關KM，將其從電網中切除，PCS延時保護跳閘；當高壓側發生系統級故障時，通過閉鎖直掛儲能以躲避故障。系統交流間隔區主接線與保護測點配置如圖2所示。

2.3.1 系統過/欠壓保護。當PCS接入側的系統線電壓過高/過低或發生嚴重故障時，系統過/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。

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

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

2.3.3 系統零序電壓保護。當 PCS 接入側的系統側或閥側發生單相接地時，由于系統三相線電壓依然對稱，PCS可繼續正常運行。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 系統零序電壓保護。當PCS閥電流過大時，系統過流保護可防止其造成功率器件損壞等故障。系統過流保護包括系統角內過流瞬時保護、系統角內過流閉鎖、系統角外過流保護。

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

2.3.6 系統零序過流保護。當PCS發生相間對地等故障時，系統零序過流保護可避免PCS設備被損壞。

2.3.7 系統負序過流保護。當系統電壓不對稱時，星型PCS會輸出一定的負序電流，系統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力增大。

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

2.3.9 電網故障閉鎖和高壓側正序低電壓閉鎖。當高壓側出現嚴重故障導致高壓側電壓過低時，系統難以穩定運行，此時需要考慮閉鎖儲能以躲過故障。

3 結語

本研究根據直掛儲能系統保護工程化的實際應用需求，設計了包含器件級保護、閥組級保護和系統保護保護的基于直掛儲能系統的多級保護配置，建立并分析不同層級保護的保護范圍和應用效果。本研究設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定運行的同時，保證直掛儲能系統的可靠性和經濟運行。

參考文獻：

［1］蔡旭，李睿，劉暢，等.高壓直掛儲能功率變換技術與世界首例應用［J］.中國電機工程學報，2020，40（1）：200-211，387.

［2］劉暢，吳西奇，姜新宇，等.高壓直掛大容量儲能系統的電池堆分割方法［J］.中國電機工程學報，2023，43（19）：7483-7497.

［3］吳波.高比例新能源滲透組網的系統穩定性研究［J］.河南科技，2024，51（5）：4-8.

［4］陸志剛，王科，劉怡，等.深圳寶清鋰電池儲能電站關鍵技術及系統成套設計方法［J］.電力系統自動化，2013，37（1）：65-69，127.

［5］李建林，武亦文，王楠，等.吉瓦級電化學儲能電站研究綜述及展望［J］.電力系統自動化，2021，45（19）：2-14.

［6］李建林，徐少華，惠東.百MW級儲能電站用PCS多機并聯穩定性分析及其控制策略綜述［J］.中國電機工程學報，2016，36（15）：4034-4047.

［7］劉暢，蔡旭，李睿，等.超大容量鏈式電池儲能系統容量邊界與優化設計［J］.高電壓技術，2020，46（6）：2230-2241.

［8］張鵬杰，羅軍，楊文輝，等.兆瓦級鋰電池儲能系統設計及應用［J］.河南科技，2021，40（13）：28-31.

［9］陳強.高壓直掛大容量電池儲能功率轉換系統［D］.上海：上海交通大學，2017.

［10］馬凌怡，肖珩，李雅欣，等.電化學儲能雙級式PCS對比分析［J］.電氣應用，2022，41（3）：15-21.

［11］丁凱，胡云.一種儲能系統多級保護方法［J］.電子質量，2023（6）：99-101.

［12］祁琦，盛曉東，王宇.基于級聯多電平換流器的鏈式儲能系統控制策略及直流側諧波抑制策略研究［J］.電氣應用，2023，42（7）：91-96.