逆變型新能源場站柔性直流送出系統(tǒng)交流線路差動保護靈敏性優(yōu)化方案

劉一民，王書揚，李彬，王興國，鄭少明，董鵬

(1．國家電網(wǎng)有限公司華北分部，北京市100053；2．中國電力科學(xué)研究院有限公司，北京市100192)

0 引 言

近年來，環(huán)境問題和資源問題日益突出，中國大力發(fā)展風(fēng)電、光伏等新能源發(fā)電技術(shù)，新能源場站發(fā)出的電能經(jīng)柔性直流輸電系統(tǒng)與電網(wǎng)連接是新能源發(fā)電并網(wǎng)的一種重要方式[1-2]。

一方面，新能源發(fā)電機與同步電機在電磁暫態(tài)特性上的差異，給傳統(tǒng)線路差動保護帶來了很多問題[3-11]，有學(xué)者指出風(fēng)電場接入后電流差動保護靈敏度有所降低[8]。文獻[12-13]發(fā)現(xiàn)光伏的弱饋特性會造成光伏側(cè)電流保護不能啟動、差動保護靈敏度下降。針對逆變型新能源場站，文獻[14]指出送出線路發(fā)生兩相短路時，差動保護在并網(wǎng)系統(tǒng)為強系統(tǒng)時靈敏性下降，但不會拒動；并網(wǎng)系統(tǒng)為弱系統(tǒng)時存在拒動的風(fēng)險。另一方面，柔性直流系統(tǒng)的接入也會對交流線路故障特征產(chǎn)生影響[15-20]。文獻[15]指出線路兩側(cè)故障電流相位差受換流站有功和無功參考值、控制目標、過渡電阻大小、故障類型等諸多因素的影響。柔性直流輸電系統(tǒng)具有可控性，它的接入導(dǎo)致交流線路電流差動保護靈敏度降低[16-17]。上述文獻分別研究了新能源和柔性直流系統(tǒng)接入交流系統(tǒng)后導(dǎo)致線路差動保護靈敏性降低的問題，但未考慮新能源與柔性直流系統(tǒng)之間交流線路的情況，且未給出解決靈敏性降低的方案，因此有必要對新能源柔性直流送出線路差動保護適應(yīng)性進行研究并解決靈敏度降低的問題。

本文基于逆變型新能源場站柔性直流送出系統(tǒng)交流線路兩側(cè)故障電流特征，對差動保護適應(yīng)性進行分析，針對靈敏度降低問題，提出一種改進判據(jù)的差動保護優(yōu)化方案。優(yōu)化方案能夠有效解決靈敏性降低問題，與降低制動系數(shù)方法相比，該方案可以通過改變參數(shù)來兼顧差動保護的可靠性，且不受新能源場站外接系統(tǒng)強弱影響，適用范圍更廣。最后，利用PSCAD仿真軟件驗證優(yōu)化方案的有效性。

1 逆變型新能源場站柔性直流送出系統(tǒng)交流線路故障特征

典型逆變型新能源場站柔性直流送出系統(tǒng)如圖1所示。本文研究對象為新能源場站出口至柔性直流系統(tǒng)之間的220 kV 交流線路，當(dāng)線路上發(fā)生短路故障時，其短路電流由新能源場站側(cè)和柔性直流整流站側(cè)提供。

1.1 新能源場站側(cè)短路電流特征

新能源場站(以逆變型電源為主)提供的短路電流特性，一方面與新能源電源的低壓穿越控制策略密切相關(guān)，另一方面與主變接地方式和故障類型有關(guān)。當(dāng)新能源場站采用抑制負序電流的低壓穿越控制策略時，由于線路靠近新能源場站側(cè)變壓器高壓側(cè)常采取星型接地，其穩(wěn)態(tài)短路電流中僅含正序電流[14]。當(dāng)線路發(fā)生故障后，新能源場站提供的短路電流幅值和相角分別如式(1)、(2)所示：

(1)

βφ=θ0+φ+*+αφ

(2)

從式(1)和(2)中可以看出，新能源場站穩(wěn)態(tài)短路電流三相對稱，其幅值主要受有功、無功參考值影響，當(dāng)電壓水平跌落嚴重時，主要受外環(huán)限流器的限流值影響，但新能源場站提供的短路電流幅值一般不超過其額定電流的3倍[21-22]；初相角除了與上述因素有關(guān)之外，還與故障初始相角相關(guān)。

1.2 柔性直流整流站側(cè)短路電流特征

與新能源場站相連的柔性直流換流器采取交流電壓-頻率控制方式，故障后柔性直流換流器呈現(xiàn)為電壓源特征[23]，根據(jù)正序等效定則，其提供的短路電流如式(3)所示：

(3)

式中：Ef為柔性直流換流器等效內(nèi)電勢；ω+代表正序角頻率；ω-代表負序角頻率；Zeq為與短路類型有關(guān)的等效阻抗;θφ+、θφ-分別為正負序初相角；m為與短路類型有關(guān)的比例系數(shù);iwφ為與之相連的新能源場站提供的短路電流。

從式(3)可知，柔性直流整流站提供的短路電流既有正序分量也有負序分量，且與短路故障類型相關(guān)，其中新能源場站提供的短路電流也會體現(xiàn)在柔性直流換流器短路電流中，這使得柔性直流換流器短路電流幅值比新能源場站提供的短路電流大很多，即相對而言，新能源場站仍有弱饋特性。

2 交流線路差動保護適應(yīng)性分析

以常用的比率制動式差動保護為例分析差動保護的靈敏性，典型的差動保護判據(jù)如式(4)所示：

圖1 逆變型新能源場站柔性直流送出系統(tǒng)拓撲圖Fig.1 Topology diagram of flexible DC delivery system of inverter new energy station

(4)

2.1 相間短路故障

以AB兩相短路故障為例分析差動保護靈敏性，結(jié)論也適用于其他類型兩相短路故障。

(5)

柔性直流整流站側(cè)短路電流相位：忽略線路電容電流情況下，由基爾霍夫電流定律可知：

(6)

又新能源側(cè)短路電流三相對稱，因此式(6)可進一步簡化為：

(7)

圖2 AB兩相相間故障時線路兩側(cè)故障相電流相量圖Fig.2 Phasor diagram of fault phase current on both sides of line under phase-to-phase fault between A and B

2.2 不對稱接地故障

以AB兩相接地故障為例分析差動保護適應(yīng)性，結(jié)論也適用于其他類型接地故障。當(dāng)送出線路發(fā)生區(qū)內(nèi)AB兩相短路接地故障時，受零序電流分量影響，新能源側(cè)AB兩相電流相角差不再等于120°，柔性直流側(cè)AB兩相的短路電流相角差也不再等于180°。

故障點兩側(cè)零序等值阻抗均由線路零序阻抗和其主變零序阻抗組成，若忽略兩側(cè)變壓器零序阻抗差異，則可認為兩側(cè)零序等值阻抗相等，因此送出線路兩側(cè)提供的零序電流分量相位相同，減小了兩側(cè)短路電流之間的相角差。同時兩側(cè)提供的短路電流受限流控制影響，短路電流零序分量相對占比增加，進一步削弱了控制策略對兩側(cè)短路電流相角差的影響。因此，送出線路發(fā)生不對稱接地故障時兩側(cè)故障相電流相角差不會出現(xiàn)大于90°的情況，差動保護能可靠動作。

2.3 對稱短路故障

當(dāng)交流線路發(fā)生區(qū)內(nèi)對稱短路故障時，兩側(cè)故障相電流均無零序分量。新能源場站側(cè)只提供正序電流，三相電流相位互差120°；柔性直流整流站側(cè)的三相電流相位互差也近似為120°。分析結(jié)果與相間短路故障類似，區(qū)別在于當(dāng)兩側(cè)A相電流相角差出現(xiàn)超過90°情況時，B相電流相角差也會超過90°。

3 差動保護靈敏性優(yōu)化方案

3.1 改進判據(jù)

從第2節(jié)的分析中可知，新能源場站經(jīng)柔性直流系統(tǒng)接入電網(wǎng)，當(dāng)交流線路發(fā)生兩相相間或者對稱短路故障時，可能會出現(xiàn)兩側(cè)短路電流相角差超過90°的情況，此時差動保護靈敏度降低。為了解決靈敏度降低問題，本文提出了一種改進判據(jù)的差動保護方案，改進后的判據(jù)如式(8)所示：

(8)

式中：a=Bcos(180°-θmn)，其中0≤B≤1，θmn為兩側(cè)電流相量之間不超過180°的夾角(0°≤θmn≤180°)。

改進之后的差動保護判據(jù)，其制動分量與a的取值有關(guān)，區(qū)外故障或者正常運行時，有θmn≈180°，此時制動分量達到最大，差動保護可靠不動作；當(dāng)區(qū)內(nèi)故障且0°≤θmn<90°時，有a<0，此時制動分量取為0，即區(qū)內(nèi)故障時制動分量為0，提升差動保護的靈敏性；當(dāng)區(qū)內(nèi)故障且90°≤θmn<180°時，有a≥0，此時制動分量取為Bcos(180°-θmn)Ir，削減相角差超90°帶來的靈敏度降低程度。

3.2 保護性能對比

工程上常通過降低比率制動系數(shù)k值來提高差動保護靈敏性，但是它同時也降低了保護的可靠性。本文分別選取B=0.8和B=1.0兩種情況來與制動系數(shù)為k=0.8的常規(guī)差動保護進行靈敏性和可靠性對比。

1)B=1.0。當(dāng)B=1.0時，a=cos(180°-θmn)。正常運行或發(fā)生區(qū)外故障時，有θmn≈180°，a=1，制動分量為Ir，比常規(guī)差動保護的制動分量0.8Ir更大，保護更不易誤動，可靠性更高；當(dāng)發(fā)生區(qū)內(nèi)故障時，當(dāng)0°≤θmn<143.13°時，a<0.8，改進判據(jù)的制動分量小于常規(guī)差動保護的制動分量，改進判據(jù)差動保護更不易拒動，靈敏性更高；當(dāng)143.13°<θmn≤180°時，有0.8

2)B=0.8。當(dāng)B=0.8時，a=0.8cos(180°-θmn)。正常運行或發(fā)生區(qū)外故障時，有θmn≈180°，a=0.8，改進判據(jù)差動保護制動分量與常規(guī)差動保護的制動分量一樣大，兩者可靠性相同；發(fā)生區(qū)內(nèi)故障時，無論θmn的大小，始終有a≤0.8，改進判據(jù)的制動分量始終小于常規(guī)差動保護的制動分量，區(qū)內(nèi)故障時改進判據(jù)的差動保護更不易拒動，靈敏性更高。

由上可知，改進判據(jù)可以根據(jù)兩側(cè)電流相角差的情況選擇適當(dāng)B值來兼顧差動保護靈敏性和可靠性，只要滿足B≥k改進判據(jù)區(qū)外故障可靠性就會高于常規(guī)差動保護，特別地當(dāng)B=k時，其可靠性與常規(guī)差動保護一樣，但是其在區(qū)內(nèi)故障靈敏性始終高于常規(guī)差動保護。

4 仿真驗證

4.1 仿真系統(tǒng)

在PSCAD軟件上搭建某新能源場站接入張北四端柔性直流系統(tǒng)模型，如圖3所示。其中逆變型新能源場站采取抑制負序電流的控制策略，柔性直流換流器采用孤島控制模式，送出線長10 km，線路上設(shè)置5個故障點，其中F2、F3和F4是區(qū)內(nèi)故障點，F(xiàn)1和F5為區(qū)外故障點。在滿載工況下模擬線路區(qū)內(nèi)外各種故障(故障起始時刻為0.2 s，持續(xù)150 ms)。

圖3 仿真模型示意圖Fig.3 Schematic diagram of simulation model

4.2 故障特征驗證

滿載工況下F2點發(fā)生兩相相間(AB)故障，仿真得線路兩側(cè)A相電流波形如圖4所示。

圖4 F2點AB相間故障時線路兩側(cè)A相電流Fig.4 Currents in phase A on both sides of the line in case of phase-to-phase fault at F2 between A and B

由圖4可以看出，AB相間故障期間柔性直流整流站側(cè)的A相電流在故障后22.67 ms達到峰值1.88 kA，新能源場站側(cè)A相電流在故障后7.50 ms達到峰值0.226 kA，符合新能源場站側(cè)短路電流呈現(xiàn)弱饋特征的分析。

對兩側(cè)A相電流夾角進行分析，夾角θA選取的是2個相量之間相隔的角度(0°≤θA≤180°)。AB相間故障期間兩側(cè)A相電流夾角情況如圖5所示。

圖5 F2點AB相間短路故障下兩側(cè)A相電流夾角Fig.5 Angle difference of two-end currents in phase A under phase-to-phase fault at F2 between A and B

從圖5中可以看出，非故障期間兩側(cè)A相電流夾角接近180°，故障期間兩側(cè)A相電流夾角最大達到了98.37°，出現(xiàn)了大于90°的情況，此時Id/Id、Id/Ir和Id/(0.8Ir)三者大小關(guān)系如圖6所示(Id為差動電流、Ir為制動電流、0.8Ir為制動分量)。

圖6 F2點AB相間短路故障下三種電流比值Fig.6 Three current ratios under phase-to-phase fault at F2 between A and B

從圖6小窗中可以看出，差動電流Id出現(xiàn)小于制動電流Ir情況，此時兩側(cè)A相電流夾角超過90°，但是制動分量0.8Ir(虛線)仍小于差動電流Id，制動系數(shù)為k=0.8的差動保護不會發(fā)生拒動，與理論分析一致。

4.3 改進方案性能驗證

改進判據(jù)之后的差動保護在B=1.0和B=0.8兩種情況下與制動系數(shù)k=0.8的差動保護在F2點AB相間短路故障時的制動分量以及故障時的差動電流如圖7所示。

圖7 F2點AB相間短路故障下各分量對比Fig.7 Comparison of each component under phase-to-phase fault at F2 between A and B

從圖7中可以得到，正常運行時，改進判據(jù)B=1.0的差動保護制動分量最大，保護可靠性最高，改進判據(jù)B=0.8的差動保護制動分量與制動系數(shù)k=0.8的差動保護制動分量相等，兩者保護可靠性一致，三個制動分量均大于差動電流，保護可靠不動作；區(qū)內(nèi)故障時，改進判據(jù)B=0.8制動分量最小，保護靈敏度最高，B=1.0的差動保護制動分量也小于制動系數(shù)k=0.8的差動保護制動分量，前者保護靈敏度也高于后者，與理論分析一致。

4.4 改進方案在新能源外接弱系統(tǒng)的性能驗證

改進判據(jù)的差動保護，其判據(jù)與兩側(cè)短路電流相對大小沒有關(guān)系，因此不受新能源場站連接系統(tǒng)強弱的影響，有著更廣的適用范圍。由于沒有連接弱系統(tǒng)的數(shù)據(jù)，因此利用文獻[14]附錄中的新能源場站外接弱系統(tǒng)的實驗數(shù)據(jù)進行檢驗，結(jié)果如表1所示(以線路發(fā)生BC兩相相間短路故障為例)。

表1 弱系統(tǒng)時不同故障條件下差動保護動作情況Table 1 Performances of differential protection under different fault situations in a weak system

由表1可以看出，當(dāng)C相相角差超過90°時，常規(guī)差動保護(比率制動系數(shù)取0.8)差動電流和制動電流的比值出現(xiàn)低于0.8的情況，保護發(fā)生拒動，而無論B取值為1.0或0.8，改進判據(jù)的差動保護制動分量系數(shù)a均低于Id/Ir，保護能夠可靠動作，改進判據(jù)差動保護在新能源場站外接弱系統(tǒng)時仍能夠正確動作。

5 結(jié) 論

本文基于逆變型新能源場站柔性直流送出系統(tǒng)交流線路兩側(cè)故障電流特征，對差動保護適應(yīng)性進行分析，針對靈敏度降低問題，提出一種改進判據(jù)的差動保護優(yōu)化方案。優(yōu)化方案能夠有效解決靈敏性降低問題，與降低制動系數(shù)方法相比，該方案可以通過改變參數(shù)來兼顧差動保護的可靠性，且不受新能源場站外接系統(tǒng)強弱影響，適用范圍更廣。

由于本文研究時忽略了短線路電容電流的影響，所以在線路電容電流無法忽略的情況下改進判據(jù)的差動保護適應(yīng)性有待進一步研究。