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兆瓦级电池储能电站直流系统故障分析与保护方案设计

 

摘要：大容量电池储能电站在电力系统中的应用越来越多，保护配置策略对储能电站及其所在配 电网的安全运行十分重要。文中首先介绍了兆瓦级电池储能电站的系统结构、直流侧接线方式及 接地方式。然后，以储能电站的直流系统为研究对象，分析极地短路故障和极间短路故障的电气量 特点。在此基础上，提出直流系统极间短路、直流接地系统极地短路保护配置以及直流非接地系统 接地监控方法。最后，利用PSCAD/EMTDC建立仿真模型，验证保护方案的可靠性及有效性。

 

关键词：电池储能；直流系统；故障分析；保护策略；接地监控

 

0 引言 本文以典型的MCBESS系统结构为基础，根据

电池储能电站（battery energy storage station, BESS)以其能量密度大、转换效率高、建设周期短、 站址适应性强等优点，在电力系统中应用前景广 阔[1—2]。大功率储能电站具备较强的稳定性及运行 持续性，在电网的各个环节均有应用空间：①在发电 阶段调节负荷、平滑新能源出力；②在输电阶段弥补 线路损耗;③在配电阶段补偿功率，提高配电系统稳 定性；④在用电阶段作为应急与削峰填谷电源。近 年来，为了推进智能电网建设，国内外电网企业纷纷 开展了储能技术应用研究，并投人多个兆瓦级电池 储能电站（megawatt class BESS, MCBESS)试点 工程[3-4]。

 

随着BESS在电力系统中的应用越来越广泛， 且容量不断增大，合理的保护配置方案对储能电站 及其所在配电网的运行安全十分重要[5]。BESS保 护以变流器为界可分为直流系统保护和交流系统保 护，本文主要对直流系统保护展开分析。文献[3，6] 主张利用换流器低电压、过电流等检测功能兼作储 能电站直流系统保护；文献[1,4,7]提出储能电站直 流系统采用熔断器及回路断路器等作为保护设备， 简化直流系统的保护配置。上述文献提出的方案对 于小容量直流系统较为适用，但对于大容量、运行可 靠性与持续性要求较高的MCBESS，则需要展开更 进一步的研究。

收稿日期：2012-07-03；修回日期：2012-09-27。

 

教育部新世纪优秀人才支持计划资助项目（NCET-08-0356)。

直流系统不同的接地方式，分别分析直流系统极间 故障和极地故障的电气量特征，提出极间故障和直 流接地系统极地故障保护配置策略以及直流非接地 系统接地监控方法，并利用PSCAD/EMTDC验证 保护策略的可靠性与有效性。

 

1 MCBESS直流系统结构

 

MCBESS容量大，储能电池组数量较多，直流 系统结构影响到储能电站功能需求、储能电池安全 及直流系统保护配置策略。直流系统结构主要包括 2个方面：①储能电池的排列、接线方式；②直流系 统接地方式。

 

直流系统的接线方式分为星形连接和线形连接 2种[8]。对于星形连接方式，每组储能电池通过单 独的开关接人至正负极母线，电池组运行较为灵活， 相互影响较小。而对于线形连接方式，电池组通过 连接线逐级接入，相互之间存在一定影响。为了提 高运行可靠性，MCBESS通常采用星形连接方式。

 

直流系统接地主要有2类作用：检测接地故障 及保护人身与设备安全。MCBESS直流接地方式 有3种：不接地、高阻接地、低阻接地。接地点位置 可选择为正极、负极或电池组中点等。不接地直流 系统中任一极发生低阻接地故障，直流系统不受影 响可继续运行;而接地直流系统发生低阻故障时有 较大的故障电流，保护可快速动作[9]。为提高供电 的可靠性与持续性，BESS可采用不接地系统;若在 系统低阻接地时要求保护快速动作可采用低阻接地 方式。此外，2种接地方式下单极对地电压允许值 存在差异也是接地方式选择需要考虑的问题[1°-12]。

 

综合考虑接线方式和接地方式，MCBESS直流 侧可采用星形不接地系统（star ungrounding system, SUS)与星形低阻接地系统（star low-impedance system,SLS)2 种方式。SUS 及 SLS 为 本文故障分析与保护配置研究对象。

 

2 MCBESS直流系统故障分析

 

直流系统故障有2种类型：极间故障与极地故 障。极间故障通常过渡电阻值较小，可近似视为金 属性短路，而极地故障过渡电阻值变化范围较大。 2种类型的故障位置点可能位于连接线和母线，如 图1所示。图中：巧和F2分别为电池连接线极间 故障和极地故障点；F3和F4分别为直流母线极间 故障和极地故障点；F5和F6分别为换流器连接线 极间故障和极地故障点。此外，直流系统故障还包 括电池组故障以及换流器故障，由于这2类故障均 属于元件内部故障，而且电池组和换流器均具有较 为完备的保护控制策略，因此本文不作详细讨论。

 

正极负极

2. 1极间短路故障分析

 

极间短路故障属于“对称性”故障，在SUS和 SLS中具有相同的故障特征。图2为SUS连接线 极间短路的故障回路图。图中：EbjpLb分别为电 池组等效电势、电阻及电感；Rht，Lhk，CLi分别为第 k组电池供电回路连接线电阻、电感和电容4 = 1， 2，…，分别为直流母线与换流器连接 线的电阻、电感及电容Ac和Cc分别为直流储能电 容的电阻和电容。极间故障点为第1组电池连接 线，故障点将 ，Ll1，Cu 分为 J?L11，Ll11，C,„ 与 Rlu,Ll12,Cl12o极间故障分析以为例，系统中 其他点极间短路分析方法与此类似。

 

 

直流系统发生极间故障时形成4个故障回路， 分别为电池组回路Cpl、直流储能电容放电回路 Cp2、换流器整流回路Cp3和并联电池组回路Cp4。 Cpl至Cp4均通过故障点，当故障点位于电池组连 接线时,Cpl与Cp4回路参数存在差异；当故障点 位于直流母线或换流器连接线时，Cpl与CP4回路 参数相同。直流连接线通常为电缆，对地分布电容 数量级为0.01 juF，因此分布电容储存能量较小，为 了简化可忽略分布电容的暂态放电。

 

2.1.1电池组回路Cpl

 

Cpl是由电池电动势、电阻及电感构成的一阶 动态电路，在发生极间短路后，回路中稳态电流 JCpl=0.5Eb/CRb+_RL11)。因直流连接线电阻很小， 不论故障点位置如何，极间短路后故障电流值都较 大，对电池组及直流连接线安全形成威胁。因此，在 发生极间故障时要求保护快速切断电池组故障 回路。