直驅(qū)風(fēng)電場(chǎng)送出線(xiàn)路的正序電壓極化距離保護(hù)適用性分析

李 斌，周博昊，何佳偉，戴 魏，王朝明，謝仲潤(rùn)

（1.智能電網(wǎng)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（天津大學(xué)），天津市 300072；2.南瑞集團(tuán)有限公司（國(guó)網(wǎng)電力科學(xué)研究院有限公司），江蘇省南京市 211106）

0 引言

加速推動(dòng)新能源發(fā)電替代傳統(tǒng)化石能源發(fā)電，構(gòu)建以新能源為主力電源的新型電力系統(tǒng)是中國(guó)電力系統(tǒng)發(fā)展的重要趨勢(shì)。與傳統(tǒng)化石能源發(fā)電相比，新能源電源出力具有顯著的波動(dòng)性和隨機(jī)性［1-2］，需要依賴(lài)大量的無(wú)功補(bǔ)償裝置、儲(chǔ)能裝置進(jìn)行有效平抑。新能源電源、無(wú)功補(bǔ)償裝置、儲(chǔ)能等設(shè)備的大量接入，導(dǎo)致新型電力系統(tǒng)的電力電子化特征愈發(fā)顯著，故障響應(yīng)過(guò)程的非線(xiàn)性與不確定性顯著增強(qiáng)［3］，基于同步機(jī)特性設(shè)計(jì)的繼電保護(hù)面臨嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。

大規(guī)模風(fēng)電通常經(jīng)110 kV、220 kV 或330 kV聯(lián)絡(luò)線(xiàn)接入系統(tǒng)，目前送出線(xiàn)路的主保護(hù)一般為縱聯(lián)保護(hù)。線(xiàn)路分布電容電流是制約現(xiàn)有縱聯(lián)差動(dòng)保護(hù)性能的主要因素，而故障暫態(tài)期間，風(fēng)電接入系統(tǒng)存在的大量諧波會(huì)加劇電容電流對(duì)縱聯(lián)差動(dòng)保護(hù)的影響［4］。為此，國(guó)內(nèi)外專(zhuān)家學(xué)者提出了多種補(bǔ)償方法，包括相量補(bǔ)償法［5］、時(shí)域電流補(bǔ)償法［6］。相量補(bǔ)償法只能補(bǔ)償區(qū)外故障時(shí)的穩(wěn)態(tài)電容電流，故障暫態(tài)期間補(bǔ)償效果差；時(shí)域電流補(bǔ)償法的效果與線(xiàn)路模型有關(guān)，可以消除電容電流的影響，但該方法對(duì)采樣率要求高且計(jì)算量大。距離保護(hù)目前一般作為并網(wǎng)線(xiàn)路的后備保護(hù)，其動(dòng)作性能對(duì)并網(wǎng)系統(tǒng)的安全運(yùn)行至關(guān)重要。雙饋風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)系統(tǒng)中，撬棒電阻的投入會(huì)增大風(fēng)電場(chǎng)的正、負(fù)序阻抗［7］，加劇機(jī)組的弱饋特征，導(dǎo)致部分阻抗繼電器的計(jì)算精度降低，還會(huì)在定子側(cè)產(chǎn)生衰減的轉(zhuǎn)速頻率分量電流（一般在35～65 Hz 之間），引發(fā)頻偏現(xiàn)象，對(duì)基于工頻傅里葉算法的傳統(tǒng)工頻距離保護(hù)造成極大影響［8］。同時(shí)，受轉(zhuǎn)子側(cè)變流器矢量控制的影響，雙饋型風(fēng)機(jī)短路電流中會(huì)出現(xiàn)二次諧波，進(jìn)一步加劇頻偏特征［9］，干擾工頻距離保護(hù)的正確動(dòng)作。直驅(qū)風(fēng)機(jī)的高諧波特性會(huì)造成工頻相量計(jì)算出現(xiàn)誤差［10］，并對(duì)工頻距離保護(hù)產(chǎn)生影響。文獻(xiàn)［11］考慮典型控制策略和穿越標(biāo)準(zhǔn)，仿真測(cè)試了逆變型新能源場(chǎng)站送出線(xiàn)路工頻距離保護(hù)的動(dòng)作性能，但其理論基礎(chǔ)仍需研究。

目前，風(fēng)電并網(wǎng)線(xiàn)路距離保護(hù)適用性的研究主要針對(duì)雙饋風(fēng)電系統(tǒng)，且現(xiàn)有文獻(xiàn)大多集中討論常規(guī)距離保護(hù)（如以母線(xiàn)電壓為極化電壓的距離保護(hù)）的動(dòng)作性能，缺乏針對(duì)實(shí)際工程應(yīng)用的廣泛的正序電壓極化式距離保護(hù)的適用性分析結(jié)果。目前，鮮有文獻(xiàn)討論風(fēng)機(jī)不同穿越方式、不同穩(wěn)態(tài)系統(tǒng)運(yùn)行工況對(duì)正序電壓極化式距離保護(hù)的適用性機(jī)理。因此，本文分析了永磁直驅(qū)風(fēng)機(jī)輸出電壓、電流的暫態(tài)正負(fù)序分量幅相特征，對(duì)比了常規(guī)電源接入下保護(hù)工作原理，研究了永磁直驅(qū)風(fēng)機(jī)送出線(xiàn)路采用基于正序電壓極化的阻抗繼電器的動(dòng)作特性，定量分析了不同穿越控制方式、不同系統(tǒng)運(yùn)行工況下比相結(jié)果出現(xiàn)的偏移程度。最后，在實(shí)時(shí)數(shù)字仿真系統(tǒng)（RTDS）中，基于國(guó)家電網(wǎng)有限公司某風(fēng)電場(chǎng)搭建了典型直驅(qū)風(fēng)機(jī)并網(wǎng)系統(tǒng)模型并進(jìn)行測(cè)試，驗(yàn)證了適用性分析的結(jié)論。

1 永磁直驅(qū)風(fēng)機(jī)的故障特征分析

典型的直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如附錄A圖A1 所示［12］。為更好地消除不對(duì)稱(chēng)故障下內(nèi)環(huán)電流中的2 倍頻分量，逆變型電源往往會(huì)配置負(fù)序電流抑制控制［13］。當(dāng)并網(wǎng)點(diǎn)電壓正序分量降低至80%以下時(shí)，直驅(qū)風(fēng)機(jī)暫態(tài)期間應(yīng)能主動(dòng)提供動(dòng)態(tài)無(wú)功電流，且其q軸電流增量ΔIq應(yīng)滿(mǎn)足［14］：

式中：UPCC為風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)點(diǎn)電壓標(biāo)幺值；K1為風(fēng)電場(chǎng) 動(dòng) 態(tài) 無(wú) 功 比 例 系 數(shù)，且1.5 ≤K1≤3.0；IN為 風(fēng) 電場(chǎng)額定電流。

當(dāng)直驅(qū)風(fēng)機(jī)進(jìn)入低壓穿越控制模式時(shí)，外環(huán)比例-積分（PI）會(huì)迅速飽和，電流內(nèi)環(huán)接管逆變器控制并快速響應(yīng)指令值變化。在故障穩(wěn)態(tài)階段，當(dāng)公共連接點(diǎn)（PCC）處電壓跌落至UPCC時(shí)，并網(wǎng)逆變器無(wú)功電流指令值iqref表示為［15］：

式中：Iq0為穩(wěn)態(tài)q軸電流。若采用最大容量限制有功功率的穿越方式，則有功功率電流指令值idref如式（3）所示。

式中：imax為逆變器最大允許電流。

當(dāng)送出線(xiàn)路發(fā)生相間故障時(shí)，直驅(qū)風(fēng)電場(chǎng)送出線(xiàn)路保護(hù)安裝處的A、B、C 相電壓Uma、Umb、Umc和電流Ima、Imb、Imc的信號(hào)如圖1（a）所示。電壓、電流中的正序、負(fù)序分量如圖1（b）和（c）所示。由圖1 可得，穩(wěn)態(tài)時(shí)并網(wǎng)逆變器的有功電流控制為1.0 p.u.，無(wú)功電流控制為0，故對(duì)外表征為全發(fā)有功功率，電壓、電流波形相位相同，正序電壓、電流分量相位相同。送出線(xiàn)路相間短路故障下，內(nèi)環(huán)電流會(huì)在20 ms左右快速達(dá)到故障穩(wěn)態(tài)階段。由于負(fù)序電流抑制與穿越控制策略的影響，在故障穩(wěn)態(tài)時(shí)，正序電流相對(duì)正序電壓出現(xiàn)了近30°的相位偏移。

2 直驅(qū)風(fēng)電場(chǎng)送出線(xiàn)路中以正序電壓作為極化電壓的阻抗繼電器適用性

本章將介紹正序電壓極化式距離保護(hù)的設(shè)計(jì)原理；對(duì)比常規(guī)電源、新能源接入下比相結(jié)果的推導(dǎo)過(guò)程，剖析風(fēng)電接入下該保護(hù)可靠性下降的機(jī)理；通過(guò)引入功率因數(shù)角的指標(biāo)，量化分析不同穿越方式、不同系統(tǒng)運(yùn)行工況的適用情況。

2.1 常規(guī)電源接入下阻抗繼電器的工作原理

以正序電壓作為極化電壓的阻抗繼電器的動(dòng)作方程可表示為［16］：

以正向BC 兩相短路故障為例，不妨假設(shè)短路故障前系統(tǒng)空載，則BC 相間阻抗繼電器的補(bǔ)償電壓為：

式中：Zm為測(cè)量阻抗；Zset為整定阻抗，一般取80%～85%的 線(xiàn) 路 阻 抗；為B、C 相 間 線(xiàn) 電 流；為B 相電流。

保護(hù)安裝處的極化正序電壓等于背側(cè)電源內(nèi)電勢(shì)減去正序電流分量在保護(hù)背側(cè)正序阻抗上的壓降，即

該故障情況下的繼電器動(dòng)作方程可表示為：

正向故障下，其動(dòng)作特性是以Zset與-0.5ZS兩點(diǎn)連線(xiàn)為直徑的圓，上述動(dòng)作特性如附錄A 圖A2所示。即使發(fā)生正向出口處金屬性短路故障，故障相間電壓為0，但正序極化電壓并不為0，圖A2 所示基于正序極化電壓的阻抗繼電器的阻抗動(dòng)作圓包含坐標(biāo)原點(diǎn)，因此能極大緩解常規(guī)Ⅰ類(lèi)阻抗繼電器的死區(qū)問(wèn)題。

2.2 直驅(qū)風(fēng)機(jī)故障穿越控制對(duì)阻抗繼電器的影響

2.2.1 影響機(jī)理分析

對(duì)于跟網(wǎng)型永磁直驅(qū)風(fēng)機(jī)，在低壓穿越的故障穩(wěn)態(tài)階段，正序網(wǎng)絡(luò)可等效為壓控電流源，由于存在負(fù)序電流抑制控制，負(fù)序阻抗無(wú)窮大可等效為開(kāi)路，此時(shí)線(xiàn)路區(qū)內(nèi)故障的復(fù)合序網(wǎng)如圖2 所示。圖中：母線(xiàn)M、N內(nèi)為正向保護(hù)區(qū)間；ZL為線(xiàn)路全長(zhǎng)正/負(fù)序阻抗；k為歸一化的故障距離，且0 ＜k＜1；kZL為故障點(diǎn)到M側(cè)保護(hù)安裝處線(xiàn)路的正/負(fù)序阻抗；(1-k)ZL為故障點(diǎn)到N側(cè)母線(xiàn)間線(xiàn)路的正/負(fù)序阻抗；ZSN1和ZSN2為N側(cè)電源的正、負(fù)序系統(tǒng)阻抗；I為永磁直驅(qū)風(fēng)機(jī)正序電流幅值；IM1為M側(cè)保護(hù)安裝處的正序電流；γ為功率因數(shù)角；θPLL為鎖相環(huán)提供的并網(wǎng)點(diǎn)電壓相角，忽略鎖相環(huán)動(dòng)態(tài)跟蹤性能引起的誤差，可近似認(rèn)為θPLL與相位相同，其中，為M側(cè)保護(hù)安裝處測(cè)得的正序電壓。

圖2 正向區(qū)內(nèi)相間故障復(fù)合序網(wǎng)絡(luò)Fig.2 Complex sequential networks with phase-to-phase fault in positive area

由圖2 可知，對(duì)于相間金屬性短路故障，故障點(diǎn)處的正、負(fù)序電流相量幅值If1、If2相等，相位相差180°；故障點(diǎn)處的正、負(fù)序電壓相量的幅值Uf1、Uf2相等，相位相同。同時(shí)，由于正序電流在正序線(xiàn)路阻抗上的壓降作用，M側(cè)保護(hù)安裝處的正序電壓UM1大于故障點(diǎn)處的正序電壓Uf1。但由于風(fēng)機(jī)并網(wǎng)換流器的負(fù)序抑制作用，負(fù)序電流約等于0，M側(cè)保護(hù)安裝處的負(fù)序電壓等于故障點(diǎn)處的負(fù)序電壓Uf2。以BC 相間短路故障為例，極化電壓可表示為：

補(bǔ)償電壓可表示為：

式中：t為時(shí)間；Ud+、Uq+和Id+、Iq+分別為正序電壓和正序電流在dq同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下d、q軸的投影；ωu為實(shí)際dq同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系的旋轉(zhuǎn)角速度；ωPLL為鎖相環(huán)輸出的dq同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系旋轉(zhuǎn)角速度，在忽略鎖相環(huán)跟蹤性能影響時(shí)可認(rèn)為二者相等。

并網(wǎng)逆變器往往采用電網(wǎng)電壓定向控制的方式，即網(wǎng)側(cè)逆變器dq同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型中往往將電壓定位在d軸上，即Ud+=Ug（Ug為相電壓幅值），Uq+=0。

將式（11）代入式（10），則相間阻抗繼電器的動(dòng)作方程Fop可表示為：

本文將正序電壓相量超前正序電流相量的角度稱(chēng)為功率因數(shù)角γ，即

將式（13）代入式（12），在配置負(fù)序電流抑制控制情況下，相間短路故障下直驅(qū)風(fēng)機(jī)送出線(xiàn)路的相間阻抗繼電器動(dòng)作方程變?yōu)椋?/p>

根據(jù)圖2 可得相間繼電器的測(cè)量阻抗Zm為：

保護(hù)安裝處正、負(fù)序電壓和電流有：

負(fù)序電流被抑制至0，將式（16）代入式（15）有：

根據(jù)圖2 可知，此時(shí)保護(hù)安裝處測(cè)量得到的負(fù)序電壓等于故障點(diǎn)處的負(fù)序電壓，同時(shí)根據(jù)故障邊界條件，式（17）可改寫(xiě)為：

根據(jù)式（15）—式（18），不考慮過(guò)渡電阻影響的情況下，直驅(qū)風(fēng)機(jī)送出線(xiàn)路上相間阻抗繼電器的測(cè)量阻抗仍然可以準(zhǔn)確反映故障位置。對(duì)比式（7）與式（14）可知，常規(guī)電源在電磁暫態(tài)時(shí)間尺度下，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速不變，ZS不變，此時(shí)保護(hù)的動(dòng)作方程主要由測(cè)量阻抗Zm決定，而測(cè)量阻抗Zm可以準(zhǔn)確反映故障位置，因此，以正序電壓作為極化電壓的阻抗繼電器可靠性較高。但當(dāng)其應(yīng)用于直驅(qū)風(fēng)機(jī)送出線(xiàn)路時(shí)，由于送出線(xiàn)路故障時(shí)并網(wǎng)逆變器具備快速響應(yīng)的雙環(huán)控制，且配置穿越控制及負(fù)序電流抑制控制，其故障后低壓穿越期間輸出的有功、無(wú)功功率會(huì)迅速發(fā)生變化，此時(shí)相間阻抗繼電器的動(dòng)作方程由測(cè)量阻抗和功率因數(shù)角共同決定。雖然此時(shí)測(cè)量阻抗仍然準(zhǔn)確反映故障距離，但不同穿越控制策略下的功率因數(shù)角存在差異，會(huì)影響相間阻抗繼電器的可靠性，需要詳細(xì)分析。在接地故障下存在較大幅值且相位不受控制策略影響的零序電流分量，在零序電流補(bǔ)償項(xiàng)的相位鉗位下，保護(hù)可靠性仍相對(duì)較高，其理論推導(dǎo)與仿真測(cè)試詳見(jiàn)附錄B。

2.2.2 不同低壓穿越策略下阻抗繼電器的可靠性

不同國(guó)家的并網(wǎng)導(dǎo)則如附錄C 圖C1 所示?？梢钥闯觯m然在指標(biāo)上各國(guó)標(biāo)準(zhǔn)略有差異，但設(shè)計(jì)上均采取了增發(fā)無(wú)功方式實(shí)現(xiàn)低壓穿越［17-22］。根據(jù)文獻(xiàn)［14］，低壓穿越期間的無(wú)功電流指令值下限可由式（2）計(jì)算獲得，后續(xù)將分為有功置零、定有功功率與限有功功率3 種典型低壓穿越控制方式對(duì)相間阻抗繼電器適用性進(jìn)行分析?？刂茀?shù)不準(zhǔn)確對(duì)比相結(jié)果影響較小，故無(wú)須考慮該因素（詳見(jiàn)附錄D）。

正序電壓極化式距離保護(hù)需要使用傅里葉算法獲取故障后電壓、電流的幅值、相位，并在保護(hù)多次進(jìn)入動(dòng)作區(qū)間后，輸出比相結(jié)果并出口動(dòng)作，此時(shí)逆變器已處于故障穩(wěn)態(tài)階段。對(duì)于“增發(fā)無(wú)功、有功置零”的低壓穿越方式，低壓穿越期間直驅(qū)風(fēng)機(jī)增發(fā)無(wú)功功率，不發(fā)有功功率，此時(shí)功率因數(shù)角為：

對(duì)于“增發(fā)無(wú)功、定有功”的低壓穿越方式，低壓穿越期間直驅(qū)風(fēng)機(jī)增發(fā)無(wú)功功率，有功功率維持穩(wěn)態(tài)水平，低壓穿越期間逆變器正序d軸電流id+可表示為：

式中：id0+為穩(wěn)態(tài)時(shí)正序d軸電流。此時(shí)，功率因數(shù)角如式（21）所示。

式中：iq0+為穩(wěn)態(tài)時(shí)正序q軸電流。

對(duì)于“增發(fā)無(wú)功、限有功”的低壓穿越方式，低壓穿越期間按最大容量原則限制有功電流（如式（3）所示），此時(shí)功率因數(shù)角為：

根據(jù)式（19）、式（21）、式（22）可知，功率因數(shù)角與穿越策略、系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)工況等相關(guān)，可以使用歸一化功率因數(shù)角γn定量評(píng)估保護(hù)的適用性：

γn等于0 表示保護(hù)適用性最好，幾乎不受影響，γn越大則說(shuō)明保護(hù)適用性越差。不同穿越控制方式、不同穩(wěn)態(tài)工況條件下，以正序電壓為極化電壓的比相式距離保護(hù)動(dòng)作情況如圖3 所示。圖中：idx、iqx、γx分別為比相結(jié)果x下的d、q軸電流分量及功率因數(shù)角，其中,x=1,2。零有功、定有功、限有功分別表示“增發(fā)無(wú)功、有功置零”“增發(fā)無(wú)功、定有功”“增發(fā)無(wú)功、限有功”的低壓穿越方式。

圖3 不同穿越控制策略、不同工況對(duì)相間阻抗繼電器的性能影響Fig.3 Influence of different ride-through control strategies and different operation conditions on performance of phase-to-phase impedance relay

根據(jù)圖3 可知：1）“有功置零”的低壓穿越方式下阻抗繼電器的可靠性幾乎不受影響，區(qū)內(nèi)外故障下均處于最可靠工作狀態(tài)；2）“定有功”的低壓穿越方式下，阻抗繼電器的可靠性會(huì)下降，且可靠性與系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)工況有關(guān)，直驅(qū)風(fēng)電場(chǎng)穩(wěn)態(tài)時(shí)有功功率出力越大，“增發(fā)無(wú)功、定有功”穿越方式下阻抗繼電器的可靠性越低；3）“增發(fā)無(wú)功、限有功”的低壓穿越方式下，阻抗繼電器的可靠性會(huì)下降，受最大允許電流imax的鉗位效果，當(dāng)故障較嚴(yán)重并導(dǎo)致并網(wǎng)點(diǎn)電壓跌落較多時(shí)，增發(fā)無(wú)功功率較小，相間阻抗繼電器的可靠性相對(duì)較高。

3 RTDS 實(shí)驗(yàn)測(cè)試

3.1 系統(tǒng)參數(shù)

為測(cè)試直驅(qū)風(fēng)電場(chǎng)的送出線(xiàn)路距離保護(hù)適用性，參考國(guó)家電網(wǎng)有限公司某實(shí)際風(fēng)電場(chǎng)的拓?fù)渑c系統(tǒng)參數(shù)，根據(jù)文獻(xiàn)［23］采用單機(jī)等效方式，在RTDS 平臺(tái)搭建了如附錄A 圖A1 所示的典型直驅(qū)風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)系統(tǒng)模型。其中，50 臺(tái)2 MW 的直驅(qū)風(fēng)機(jī)經(jīng)過(guò)箱式變壓器（0.69 kV/35 kV）通過(guò)匯集線(xiàn)路送至風(fēng)電場(chǎng)主變壓器（35 kV/220 kV），升壓后經(jīng)60 km 送出線(xiàn)路將額定有功功率100 MW 的電能傳輸至主網(wǎng)內(nèi)。主要參數(shù)如下：系統(tǒng)側(cè)電源正序阻抗為3.14 Ω，零序阻抗為8.314 Ω；風(fēng)電場(chǎng)主變壓器（YNd11）容量為200 MV·A；短路阻抗為10.36%；220 kV 送出線(xiàn)路的正序阻抗為（0.013 326+j0.266 079)Ω/km（正序阻抗角約為87.8°），零序阻抗為（0.030 791 5+j0.814 968)Ω/km；箱 式 變 壓 器（Dyn11）額定容量為2 MV·A；短路阻抗為7%；額定風(fēng)速為10 m/s；風(fēng)電場(chǎng)動(dòng)態(tài)無(wú)功比例系數(shù)為1.5；直驅(qū)風(fēng)機(jī)低壓穿越方式為增發(fā)無(wú)功功率、最大容量限制有功功率；逆變器最大耐受電流為1.4 p.u.。

3.2 正序電壓作為極化電壓的阻抗繼電器性能測(cè)試

整定系數(shù)取0.8，故障發(fā)生于2.0 s，持續(xù)300 ms，區(qū)內(nèi)故障點(diǎn)F1為線(xiàn)路中點(diǎn)，區(qū)外故障點(diǎn)F2為線(xiàn)路末端，區(qū)內(nèi)相間故障的測(cè)試結(jié)果如圖4 所示，區(qū)外相間故障的測(cè)試結(jié)果如圖5 所示。圖中：Id和Iq分別為內(nèi)環(huán)d、q軸電流的測(cè)量值。

圖4 區(qū)內(nèi)故障測(cè)試結(jié)果Fig.4 Test results with internal faults

圖5 區(qū)外故障測(cè)試結(jié)果Fig.5 Test results with external faults

3.2.1 區(qū)內(nèi)故障測(cè)試結(jié)果

如圖4（b）所示，區(qū)內(nèi)相間故障時(shí)，正序電壓極化的相間阻抗繼電器的比相結(jié)果約為254.2°，十分接近動(dòng)作邊界，可靠性較差。

由圖4（c）所示內(nèi)環(huán)電流測(cè)量值與指令值可知，根據(jù)式（22）計(jì)算得到的功率因數(shù)角γ為-17.579 8°，正序電壓極化的阻抗繼電器比相結(jié)果計(jì)算值為250.250 2°，與實(shí)際結(jié)果近似相等，誤差為1.55%，這說(shuō)明區(qū)內(nèi)故障的適用性分析理論正確。

3.2.2 區(qū)外故障測(cè)試結(jié)果

如圖5（b）所示，區(qū)外相間故障時(shí)，正序電壓的相間阻抗繼電器的比相結(jié)果約為73.74°，十分接近動(dòng)作邊界，可靠性較差。當(dāng)加入信噪比為20 dB 的高斯白噪聲后，如圖5（d）所示，比相結(jié)果會(huì)進(jìn)入動(dòng)作區(qū)間內(nèi)，易造成誤動(dòng)現(xiàn)象。

由圖5（c）所示內(nèi)環(huán)電流測(cè)量值與指令值可知，式（22）中功率因數(shù)角γ約為-17.514 7°，正序電壓極化的阻抗繼電器比相結(jié)果計(jì)算值為70.285 3°，與實(shí)際結(jié)果近似相等，誤差為4.68%，這說(shuō)明區(qū)外故障的適用性分析理論正確。

歸一化功率因數(shù)角在區(qū)內(nèi)相間故障時(shí)為0.804 7，在區(qū)外相間故障時(shí)為0.805 4，同時(shí)區(qū)內(nèi)、區(qū)外相間短路故障下，相間繼電器的比相結(jié)果均接近動(dòng)作邊界，保護(hù)的可靠性大大降低，驗(yàn)證了所提歸一化指標(biāo)的有效性。

3.3 不同穿越策略下阻抗繼電器性能測(cè)試

由2.2.2 節(jié)分析可知，不同穿越控制方式下，正序電壓極化距離保護(hù)適用性存在差異，為驗(yàn)證理論分析的正確性，本節(jié)選用如下3 種穿越方式進(jìn)行正向金屬性故障測(cè)試。

穿越方式Ⅰ：增發(fā)無(wú)功、最大容量限制有功（imax=1.4 p.u.）。

穿越方式Ⅱ：增發(fā)無(wú)功、有功置零。

穿越方式Ⅲ：增發(fā)無(wú)功、定有功（工況1 為穩(wěn)態(tài)d軸電流id0=0.5 p.u.，工況2 為id0=1.0 p.u.）。

整定系數(shù)取0.8，不同故障類(lèi)型下阻抗繼電器的動(dòng)作情況如表1 所示。

表1 不同穿越策略下的保護(hù)動(dòng)作情況Table 1 Protection operation conditions with different ride-through strategies

由表1 可得出以下結(jié)論：

1）不同穿越控制策略下，保護(hù)的適用性存在差異。相比穿越方式Ⅰ、Ⅲ，穿越方式Ⅱ的歸一化偏移角指標(biāo)在區(qū)內(nèi)、外故障下均保持較低水平，說(shuō)明穿越方式Ⅱ下保護(hù)的可靠性最高。

2）當(dāng)采用穿越方式Ⅰ、Ⅲ時(shí)，相間短路故障下歸一化偏移角指標(biāo)顯著增加。此時(shí)，保護(hù)的可靠性迅速降低。

3）對(duì)于穿越方式Ⅲ，工況1 的區(qū)內(nèi)、外相間短路故障下γn分別為0.605 6、0.598 0，工況2 的區(qū)內(nèi)、外相間短路故障下γn分別為0.800 0、0.844 9，顯然工況2 保護(hù)的可靠性更低，說(shuō)明隨著風(fēng)電場(chǎng)穩(wěn)態(tài)出力的增多，定有功控制下保護(hù)的可靠性會(huì)降低。

4）對(duì)于穿越方式Ⅰ，F(xiàn)1點(diǎn)相間短路故障時(shí)，PCC 電壓有效值約為0.736 45 p.u.；F2點(diǎn)相間短路故障時(shí)，PCC 電壓有效值約為0.757 50 p.u.。上述兩種故障情況下歸一化指標(biāo)分別為0.824 4、0.818 9，驗(yàn)證了“增發(fā)無(wú)功、最大容量限制有功”低壓穿越策略下，當(dāng)并網(wǎng)點(diǎn)電壓跌落較少時(shí)，阻抗繼電器的可靠性更低。

上述測(cè)試結(jié)果與理論分析吻合，顯然，直驅(qū)風(fēng)機(jī)送出線(xiàn)路正序電壓極化距離保護(hù)與穿越方式Ⅱ的直驅(qū)風(fēng)電場(chǎng)最為適配。若直驅(qū)風(fēng)電場(chǎng)采用穿越方式Ⅰ或Ⅲ，相間故障時(shí)阻抗繼電器的可靠性會(huì)降低，特別是采用穿越方式Ⅲ時(shí)，風(fēng)電場(chǎng)穩(wěn)態(tài)時(shí)若處于大功率運(yùn)行狀態(tài)，相間繼電器的可靠性會(huì)進(jìn)一步降低。

4 結(jié)語(yǔ)

本文重點(diǎn)探討了正序電壓為極化電壓的比相式距離保護(hù)在永磁直驅(qū)風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)線(xiàn)路上的動(dòng)作性能，并分析了不同穿越控制策略及運(yùn)行工況對(duì)動(dòng)作性能的影響，得到結(jié)論如下：

1）受暫態(tài)穿越控制與負(fù)序電流抑制策略的影響，故障穿越期間直驅(qū)風(fēng)機(jī)送出線(xiàn)路上的正序電流、電壓相量間會(huì)出現(xiàn)與低壓穿越控制策略、系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)工況有關(guān)的功率因數(shù)角，降低正序電壓極化距離保護(hù)的可靠性，表現(xiàn)為區(qū)內(nèi)相間故障易拒動(dòng)、區(qū)外相間故障易誤動(dòng)。

2）不同穿越策略下，正序電壓極化距離保護(hù)的可靠性有所不同：“增發(fā)無(wú)功、有功置零”的穿越方式下相間阻抗繼電器的可靠性最高；“增發(fā)無(wú)功、定有功”與“增發(fā)無(wú)功、限有功”的穿越方式下相間繼電器可靠性會(huì)顯著降低。

3）“增發(fā)無(wú)功、定有功”的穿越方式下，穩(wěn)態(tài)時(shí)風(fēng)電場(chǎng)發(fā)出有功功率越大，低壓穿越期間相間繼電器的可靠性越低。

4）本文雖以直驅(qū)風(fēng)機(jī)為例進(jìn)行討論，但所提出的適用性分析結(jié)論同樣適用于光伏、儲(chǔ)能電站、柔性直流系統(tǒng)的交流側(cè)。本文忽略了負(fù)荷電流引起功角擺開(kāi)的問(wèn)題，同時(shí)以相間金屬性故障為例進(jìn)行分析，后續(xù)可針對(duì)功角、過(guò)渡電阻等問(wèn)題進(jìn)一步深入研究。

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