直挂储能系统的多级保护配置设计

摘 要：【目的】储能系统作为支撑新型电力系统的重要技术和基础装备，其规模化发展已成为必然趋势。为提高直挂储能系统运行时的安全性和稳定性，需要对直挂储能系统进行多级保护配置设计。【方法】基于直挂储能系统结构，结合器件、部件和系统的工作原理及逻辑关系，对直挂储能系统进行多级保护配置设计。【结果】该直挂储能系统的多级保护配置包括器件级保护、阀组级保护、系统级保护，同时考虑了绝缘栅双极晶体管的耐受能力。【结论】该设计配置具有层次分明、配置合理的保护体系，保证直挂储能系统的可靠性和经济运行。

关键词：直挂储能系统；保护配置；参数整定；多级保护；储能变流器

中图分类号：TM911" " "文献标志码：A" " 文章编号：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“双碳”目标背景下和打造国家清洁能源产业驱动下，储能规模化发展已成为必然趋势，加快储能建设是提高系统调节能力［1］、促进新能源消纳［2］的有效措施，也是构建新型电力系统的重要基础［3］。

传统的储能系统将储能单元在低压交流侧并联［4］，通过升压变压器逐级升压后接入高压电网［5］，存在能量循环效率低、环流［6］、功率不均分［7］和稳定性差［8］等问题，难以适应未来建设百MW级与GW级储能电站的需求［4，9］。基于储能变流器（Power Conversion System，PCS）的高压直挂储能系统具有高度模块化结构，且与传统储能系统相比，直挂储能系统不仅实现了单机大容量化，还能满足高效率、高可靠性和经济性需求［1，7，9，10］。

目前，与直挂储能系统的分层保护配置有关的研究相对较少，且缺乏层级分明、配置合理的成套保护体系。丁凯等［11］提出一种带有多级保护控制的储能系统，假设双向充放电设备（PCS）内置的保护详尽完备为前提，其划分的层级保护范围较为宽泛。PCS是储能技术中的核心组件，其既可作为电网与储能装置之间的接口，又可作为主电源支撑微网的运行［12］，需要有针对性地分层保护措施。此外，常规的交流产品定值整定一般以短路电流大小为依据，而以直挂储能产品为代表的电力电子设备保护定值整定要考虑绝缘栅双极晶体管（Insulated Gate Bipolar Transistor，IGBT）的耐受能力，从而保护电力电子器件。因此，对直挂储能系统的保护需要进一步统筹考虑。

针对上述问题，本研究在考虑IGBT耐受能力的基础上，设计了基于直挂储能系统的多级保护配置，包括器件级保护、阀组级保护、系统级保护这三层保护。

1 直挂储能系统组成

直挂储能系统中的PCS呈三相星形或角形联结，每一相有n个功率单元级联，每个功率模块由H桥逆变器、直流侧无源滤波器、直流断路器和电池簇等部件组成。电池簇分散接入级联H桥变换器的直流侧，通过H桥升高交流输出端串联电压，并通过交流侧滤波电感直接接入电网，而不用工频变压器，具有更高的效率和经济性。

2 直挂储能系统保护配置

直挂储能系统保护配置分为三层保护：第一层保护是针对PCS功率单元的器件级保护，通过模块控制保护单元（Single Module Controller，SMC）实现；第二层保护是针对PCS成套阀组的阀组级保护，通过阀控单元（Valve Base Control unit，VBC）实现；第三层保护是针对直挂储能系统的系统级保护，通过主控单元（Primary Control amp; Protection unit，PCP）实现，需要进行保护定值整定。直挂储能系统保护配置框架如图1所示。

SMC由驱动板硬件保护电路、电容直流电压采样电路、温度保护电路、电源监视电路、驱动逻辑产生和校验电路组成，用于采集储能变流器功率单元的状态信息；PCP具备进线电压、电流采样电路和系统检测电路，用于采集直挂储能系统的状态信息。

SMC对PCS功率单元的状态信息进行采集，并通过光纤上送至VBC，同时接收VBC下发的信号，实现对PCS功率单元的控制保护；VBC对PCS成套阀组的状态信息进行汇总，并通过光纤上送至PCP，同时通过光纤接收PCP下发的信号，实现对阀组的控制保护；PCP接收VBC汇总的阀组状态信息，完成数据处理和保护逻辑计算，并通过光纤发送信号至VBC。同时，PCP对直挂储能系统的状态信息进行采集处理和保护逻辑计算，实现对直挂储能系统的控制保护。

2.1 器件级保护

器件级保护通过SMC来检测阀组内部器件级的故障，并对多种元器件故障设有主动保护措施。器件级保护主要包括IGBT过压保护和IGBT过流保护，且IGBT过压和过流保护通过采用驱动板自带的硬件保护电路实现。

2.2 阀组级保护

阀组级保护由VBC检测较严重的阀组级故障，如每相功率模组数目冗余不足、合旁路开关失败等。当发生阀组级故障时，SMC通过检测电路和逻辑判断，将对应的阀组级保护信息上传至VBC，VBC下发旁路命令至对应模组，同时VBC向PCP发送保护信息，PCS延时保护跳闸。

2.2.1 阀组直流侧过欠压保护。当SMC通过电容直流电压采样电路检测到电容直流电压超过或低于预设定值时，对应的需要上送的阀组级保护信息为过欠压保护。该保护能有效防止预充电和运行过程中因故障而导致的各功率单元的直流侧过欠电压，保护阀组内部器件。

2.2.2 阀组过温保护。当SMC通过温度保护电路检测到阀组温度超过预设定值时，对应的需要上送的阀组级保护信息为过温保护。该保护能有效防止运行过程中因阀组过热而导致的元器件损坏。

2.2.3 阀组驱动异常保护。当SMC通过驱动逻辑产生和校验电路检测到驱动信号或驱动板卡发生异常时，对应的需要上送的阀组级保护信息为驱动异常保护。该保护能有效防止运行过程中因阀组驱动异常而导致的元器件损坏。

2.2.4 阀组电源故障保护。当SMC通过电源监视电路检测到电源发生故障时，对应的需要上送的阀组级保护信息为电源故障保护。该保护能有效防止运行过程中因阀组电源故障而导致的元器件损坏。

2.3 系统级保护

系统级保护对直挂储能系统进行保护，该类故障一般为较严重的故障。当低压侧发生系统级故障时，PCP下发闭锁脉冲命令至VBC，通过出口板卡跳主开关QF和旁路开关KM，将其从电网中切除，PCS延时保护跳闸；当高压侧发生系统级故障时，通过闭锁直挂储能以躲避故障。系统交流间隔区主接线与保护测点配置如图2所示。

2.3.1 系统过/欠压保护。当PCS接入侧的系统线电压过高/过低或发生严重故障时，系统过/欠压保护能有效防止电压过高造成阀组元器件过压损坏和PCS功率单元电容电压失稳。

系统过压保护包括系统侧交流过压Ⅰ段保护和系统侧交流过压闭锁。整定系统侧交流过压Ⅰ段保护动作定值为[Uop，T]，见式（1）。

2.3.2 系统过/欠频保护。当系统频率在一定范围内过高或过低时，对系统来说，输出电流与系统频率一致，对系统安全性没有影响。针对该情况，可通过是否跳闸开放软压板选择。

2.3.3 系统零序电压保护。当 PCS 接入侧的系统侧或阀侧发生单相接地时，由于系统三相线电压依然对称，PCS可继续正常运行。但是，由于非故障相电压升高为线电压，长期运行会对PCS绝缘产生影响。针对该情况，可通过是否跳闸开放软压板选择。

2.3.4 系统零序电压保护。当PCS阀电流过大时，系统过流保护可防止其造成功率器件损坏等故障。系统过流保护包括系统角内过流瞬时保护、系统角内过流闭锁、系统角外过流保护。

2.3.5 系统过负荷保护。当PCS阀电流长期过负荷运行时，系统过负荷保护可避免功率器件等出现故障。

2.3.6 系统零序过流保护。当PCS发生相间对地等故障时，系统零序过流保护可避免PCS设备被损坏。

2.3.7 系统负序过流保护。当系统电压不对称时，星型PCS会输出一定的负序电流，系统负序过流保护可避免负序电流过大引起的功率器件损耗及电气应力增大。

2.3.8 系统主断路器失灵保护。装置配置两段主断路失灵保护，Ⅰ段带电流判据，Ⅱ段不带电流判据。

2.3.9 电网故障闭锁和高压侧正序低电压闭锁。当高压侧出现严重故障导致高压侧电压过低时，系统难以稳定运行，此时需要考虑闭锁储能以躲过故障。

3 结语

本研究根据直挂储能系统保护工程化的实际应用需求，设计了包含器件级保护、阀组级保护和系统保护保护的基于直挂储能系统的多级保护配置，建立并分析不同层级保护的保护范围和应用效果。本研究设计的保护配置具有层级分明、配置合理的保护体系，还考虑了IGBT的耐受能力，在确保电力电子器件稳定运行的同时，保证直挂储能系统的可靠性和经济运行。

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