劉一民，王書(shū)揚(yáng)，李彬，王興國(guó)，鄭少明，董鵬

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

0 引 言

近年來(lái)，環(huán)境問(wèn)題和資源問(wèn)題日益突出，中國(guó)大力發(fā)展風(fēng)電、光伏等新能源發(fā)電技術(shù)，新能源場(chǎng)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(jī)與同步電機(jī)在電磁暫態(tài)特性上的差異，給傳統(tǒng)線路差動(dòng)保護(hù)帶來(lái)了很多問(wèn)題[3-11]，有學(xué)者指出風(fēng)電場(chǎng)接入后電流差動(dòng)保護(hù)靈敏度有所降低[8]。文獻(xiàn)[12-13]發(fā)現(xiàn)光伏的弱饋特性會(huì)造成光伏側(cè)電流保護(hù)不能啟動(dòng)、差動(dòng)保護(hù)靈敏度下降。針對(duì)逆變型新能源場(chǎng)站，文獻(xiàn)[14]指出送出線路發(fā)生兩相短路時(shí)，差動(dòng)保護(hù)在并網(wǎng)系統(tǒng)為強(qiáng)系統(tǒng)時(shí)靈敏性下降，但不會(huì)拒動(dòng)；并網(wǎng)系統(tǒng)為弱系統(tǒng)時(shí)存在拒動(dòng)的風(fēng)險(xiǎn)。另一方面，柔性直流系統(tǒng)的接入也會(huì)對(duì)交流線路故障特征產(chǎn)生影響[15-20]。文獻(xiàn)[15]指出線路兩側(cè)故障電流相位差受換流站有功和無(wú)功參考值、控制目標(biāo)、過(guò)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(dòng)保護(hù)靈敏度降低[16-17]。上述文獻(xiàn)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(dòng)保護(hù)靈敏性降低的問(wèn)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(duì)新能源柔性直流送出線路差動(dòng)保護(hù)適應(yīng)性進(jìn)行研究并解決靈敏度降低的問(wèn)題。

本文基于逆變型新能源場(chǎng)站柔性直流送出系統(tǒng)交流線路兩側(cè)故障電流特征，對(duì)差動(dòng)保護(hù)適應(yīng)性進(jìn)行分析，針對(duì)靈敏度降低問(wèn)題，提出一種改進(jìn)判據(jù)的差動(dòng)保護(hù)優(yōu)化方案。優(yōu)化方案能夠有效解決靈敏性降低問(wèn)題，與降低制動(dòng)系數(shù)方法相比，該方案可以通過(guò)改變參數(shù)來(lái)兼顧差動(dòng)保護(hù)的可靠性，且不受新能源場(chǎng)站外接系統(tǒng)強(qiáng)弱影響，適用范圍更廣。最后，利用PSCAD仿真軟件驗(yàn)證優(yōu)化方案的有效性。

1 逆變型新能源場(chǎng)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(chǎng)站柔性直流送出系統(tǒng)如圖1所示。本文研究對(duì)象為新能源場(chǎng)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(shí)，其短路電流由新能源場(chǎng)站側(cè)和柔性直流整流站側(cè)提供。

1.1 新能源場(chǎng)站側(cè)短路電流特征

新能源場(chǎng)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(chǎng)站采用抑制負(fù)序電流的低壓穿越控制策略時(shí)，由于線路靠近新能源場(chǎng)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(chǎng)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(chǎng)站穩(wěn)態(tài)短路電流三相對(duì)稱，其幅值主要受有功、無(wú)功參考值影響，當(dāng)電壓水平跌落嚴(yán)重時(shí)，主要受外環(huán)限流器的限流值影響，但新能源場(chǎng)站提供的短路電流幅值一般不超過(guò)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(chǎng)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(shì)；ω+代表正序角頻率；ω-代表負(fù)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(fù)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(chǎng)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(fù)序分量，且與短路故障類型相關(guān)，其中新能源場(chǎng)站提供的短路電流也會(huì)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(chǎng)站提供的短路電流大很多，即相對(duì)而言，新能源場(chǎng)站仍有弱饋特性。

2 交流線路差動(dòng)保護(hù)適應(yīng)性分析

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

圖1 逆變型新能源場(chǎng)站柔性直流送出系統(tǒng)拓?fù)鋱DFig.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(dòng)保護(hù)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(duì)稱，因此式(6)可進(jìn)一步簡(jiǎn)化為：

(7)

圖2 AB兩相相間故障時(shí)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(duì)稱接地故障

以AB兩相接地故障為例分析差動(dòng)保護(hù)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(shí)，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(diǎn)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(rèn)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(shí)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(duì)占比增加，進(jìn)一步削弱了控制策略對(duì)兩側(cè)短路電流相角差的影響。因此，送出線路發(fā)生不對(duì)稱接地故障時(shí)兩側(cè)故障相電流相角差不會(huì)出現(xiàn)大于90°的情況，差動(dòng)保護(hù)能可靠動(dòng)作。

2.3 對(duì)稱短路故障

當(dāng)交流線路發(fā)生區(qū)內(nèi)對(duì)稱短路故障時(shí)，兩側(cè)故障相電流均無(wú)零序分量。新能源場(chǎng)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(guò)90°情況時(shí)，B相電流相角差也會(huì)超過(guò)90°。

3 差動(dòng)保護(hù)靈敏性優(yōu)化方案

3.1 改進(jìn)判據(jù)

從第2節(jié)的分析中可知，新能源場(chǎng)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(duì)稱短路故障時(shí)，可能會(huì)出現(xiàn)兩側(cè)短路電流相角差超過(guò)90°的情況，此時(shí)差動(dòng)保護(hù)靈敏度降低。為了解決靈敏度降低問(wèn)題，本文提出了一種改進(jìn)判據(jù)的差動(dòng)保護(hù)方案，改進(jìn)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(guò)180°的夾角(0°≤θmn≤180°)。

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

3.2 保護(hù)性能對(duì)比

工程上常通過(guò)降低比率制動(dòng)系數(shù)k值來(lái)提高差動(dòng)保護(hù)靈敏性，但是它同時(shí)也降低了保護(hù)的可靠性。本文分別選取B=0.8和B=1.0兩種情況來(lái)與制動(dòng)系數(shù)為k=0.8的常規(guī)差動(dòng)保護(hù)進(jìn)行靈敏性和可靠性對(duì)比。

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

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

由上可知，改進(jìn)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(lái)兼顧差動(dòng)保護(hù)靈敏性和可靠性，只要滿足B≥k改進(jìn)判據(jù)區(qū)外故障可靠性就會(huì)高于常規(guī)差動(dòng)保護(hù)，特別地當(dāng)B=k時(shí)，其可靠性與常規(guī)差動(dòng)保護(hù)一樣，但是其在區(qū)內(nèi)故障靈敏性始終高于常規(guī)差動(dòng)保護(hù)。

4 仿真驗(yàn)證

4.1 仿真系統(tǒng)

在PSCAD軟件上搭建某新能源場(chǎng)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(chǎng)站采取抑制負(fù)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(zhǎng)10 km，線路上設(shè)置5個(gè)故障點(diǎn)，其中F2、F3和F4是區(qū)內(nèi)故障點(diǎn)，F(xiàn)1和F5為區(qū)外故障點(diǎn)。在滿載工況下模擬線路區(qū)內(nèi)外各種故障(故障起始時(shí)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(yàn)證

滿載工況下F2點(diǎn)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(diǎn)AB相間故障時(shí)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(dá)到峰值1.88 kA，新能源場(chǎng)站側(cè)A相電流在故障后7.50 ms達(dá)到峰值0.226 kA，符合新能源場(chǎng)站側(cè)短路電流呈現(xiàn)弱饋特征的分析。

對(duì)兩側(cè)A相電流夾角進(jìn)行分析，夾角θA選取的是2個(gè)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(diǎn)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(dá)到了98.37°，出現(xiàn)了大于90°的情況，此時(shí)Id/Id、Id/Ir和Id/(0.8Ir)三者大小關(guān)系如圖6所示(Id為差動(dòng)電流、Ir為制動(dòng)電流、0.8Ir為制動(dòng)分量)。

圖6 F2點(diǎn)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(dòng)電流Id出現(xiàn)小于制動(dòng)電流Ir情況，此時(shí)兩側(cè)A相電流夾角超過(guò)90°，但是制動(dòng)分量0.8Ir(虛線)仍小于差動(dòng)電流Id，制動(dòng)系數(shù)為k=0.8的差動(dòng)保護(hù)不會(huì)發(fā)生拒動(dòng)，與理論分析一致。

4.3 改進(jìn)方案性能驗(yàn)證

改進(jìn)判據(jù)之后的差動(dòng)保護(hù)在B=1.0和B=0.8兩種情況下與制動(dòng)系數(shù)k=0.8的差動(dòng)保護(hù)在F2點(diǎn)AB相間短路故障時(shí)的制動(dòng)分量以及故障時(shí)的差動(dòng)電流如圖7所示。

圖7 F2點(diǎn)AB相間短路故障下各分量對(duì)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(yùn)行時(shí)，改進(jìn)判據(jù)B=1.0的差動(dòng)保護(hù)制動(dòng)分量最大，保護(hù)可靠性最高，改進(jìn)判據(jù)B=0.8的差動(dòng)保護(hù)制動(dòng)分量與制動(dòng)系數(shù)k=0.8的差動(dòng)保護(hù)制動(dòng)分量相等，兩者保護(hù)可靠性一致，三個(gè)制動(dòng)分量均大于差動(dòng)電流，保護(hù)可靠不動(dòng)作；區(qū)內(nèi)故障時(shí)，改進(jìn)判據(jù)B=0.8制動(dòng)分量最小，保護(hù)靈敏度最高，B=1.0的差動(dòng)保護(hù)制動(dòng)分量也小于制動(dòng)系數(shù)k=0.8的差動(dòng)保護(hù)制動(dòng)分量，前者保護(hù)靈敏度也高于后者，與理論分析一致。

4.4 改進(jìn)方案在新能源外接弱系統(tǒng)的性能驗(yàn)證

改進(jìn)判據(jù)的差動(dòng)保護(hù)，其判據(jù)與兩側(cè)短路電流相對(duì)大小沒(méi)有關(guān)系，因此不受新能源場(chǎng)站連接系統(tǒng)強(qiáng)弱的影響，有著更廣的適用范圍。由于沒(méi)有連接弱系統(tǒng)的數(shù)據(jù)，因此利用文獻(xiàn)[14]附錄中的新能源場(chǎng)站外接弱系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行檢驗(yàn)，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(shí)不同故障條件下差動(dòng)保護(hù)動(dòng)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(guò)90°時(shí)，常規(guī)差動(dòng)保護(hù)(比率制動(dòng)系數(shù)取0.8)差動(dòng)電流和制動(dòng)電流的比值出現(xiàn)低于0.8的情況，保護(hù)發(fā)生拒動(dòng)，而無(wú)論B取值為1.0或0.8，改進(jìn)判據(jù)的差動(dòng)保護(hù)制動(dòng)分量系數(shù)a均低于Id/Ir，保護(hù)能夠可靠動(dòng)作，改進(jìn)判據(jù)差動(dòng)保護(hù)在新能源場(chǎng)站外接弱系統(tǒng)時(shí)仍能夠正確動(dòng)作。

5 結(jié) 論

本文基于逆變型新能源場(chǎng)站柔性直流送出系統(tǒng)交流線路兩側(cè)故障電流特征，對(duì)差動(dòng)保護(hù)適應(yīng)性進(jìn)行分析，針對(duì)靈敏度降低問(wèn)題，提出一種改進(jìn)判據(jù)的差動(dòng)保護(hù)優(yōu)化方案。優(yōu)化方案能夠有效解決靈敏性降低問(wèn)題，與降低制動(dòng)系數(shù)方法相比，該方案可以通過(guò)改變參數(shù)來(lái)兼顧差動(dòng)保護(hù)的可靠性，且不受新能源場(chǎng)站外接系統(tǒng)強(qiáng)弱影響，適用范圍更廣。

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