程 驍，顧喬根，任旭超，鄭 超，黃 濤，張寶順

（1. 南京南瑞繼保電氣有限公司，南京 211102；2. 國(guó)網(wǎng)江蘇省電力有限公司，南京 210024）

0 引言

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)大型海上風(fēng)電柔性直流輸電工程的正式投運(yùn)開啟了中遠(yuǎn)海上風(fēng)電電經(jīng)柔性直流輸電送出的新紀(jì)元［1-3］，填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)該技術(shù)領(lǐng)域的多項(xiàng)空白，有效解決了海上風(fēng)電場(chǎng)大容量、遠(yuǎn)距離輸電的問(wèn)題，對(duì)未來(lái)中國(guó)海上風(fēng)電規(guī)模化開發(fā)建設(shè)具有引領(lǐng)和示范作用［4-6］。

常規(guī)電網(wǎng)的電源以旋轉(zhuǎn)電機(jī)為主，當(dāng)電網(wǎng)發(fā)生故障時(shí)，短路電流的大小及相位取決于系統(tǒng)阻抗和短路阻抗。而以風(fēng)力發(fā)電為典型代表的新能源發(fā)電系統(tǒng)，不再具有傳統(tǒng)意義上的旋轉(zhuǎn)慣性，柔性換流閥的控制特性也具有強(qiáng)非線性特征，因此柔性輸電系統(tǒng)的故障特性與普通電力系統(tǒng)相比有較大差異［7-15］，柔性直流輸電系統(tǒng)相關(guān)保護(hù)的可靠性、選擇性面臨挑戰(zhàn)。分析現(xiàn)有文獻(xiàn)可知，柔性直流輸電方向的現(xiàn)有研究多集中于故障穿越、故障電流抑制及控制策略，該系統(tǒng)下變壓器故障特性以及變壓器差動(dòng)保護(hù)適應(yīng)性分析較少提及。

文獻(xiàn)［16-20］分析了柔性直流輸電系統(tǒng)的故障穿越技術(shù)及故障電流抑制技術(shù)，探討了柔性直流輸電系統(tǒng)的故障電流分布特性與演變規(guī)律，但分析重點(diǎn)在直流側(cè)故障及直流控制策略方面，未涉及交流側(cè)故障分析；文獻(xiàn)［21-23］通過(guò)將理論與仿真相結(jié)合，研究了交流電網(wǎng)故障、IGBT（絕緣柵雙極型晶體管）器件故障等多種情況下的逆變器輸出短路電流特征，得出了這些故障下逆變器輸出短路電流遠(yuǎn)小于常規(guī)系統(tǒng)故障下逆變器輸出短路電流的結(jié)論，但未涉及元件保護(hù)的靈敏性、可靠性分析；文獻(xiàn)［24-25］分析了逆變器控制下的穩(wěn)態(tài)短路電流計(jì)算方法，并分析了PI（比例-積分）控制器參數(shù)、負(fù)載水平等因素引起的穩(wěn)態(tài)故障電流下降的問(wèn)題，但未涉及電流頻域分析；文獻(xiàn)［26-29］從故障分量的角度出發(fā)，分析了逆變器系統(tǒng)輸出短路電流中的序分量變化特性，并研究了逆變器系統(tǒng)輸出電流中的頻域特性及其產(chǎn)生機(jī)理。文獻(xiàn)［30-31］討論了高壓直流輸電系統(tǒng)不對(duì)稱故障可能引發(fā)的換流變壓器（以下簡(jiǎn)稱“換流變”）故障性涌流的問(wèn)題，分析重點(diǎn)在故障非周期分量導(dǎo)致的變壓器鐵心飽和問(wèn)題，不涉及故障過(guò)程中閥側(cè)交流故障電流的變化特征對(duì)差動(dòng)保護(hù)的影響。

國(guó)外已發(fā)表的柔性直流輸電相關(guān)文獻(xiàn)多集中于直流電網(wǎng)、混合直流技術(shù)以及新策略、新原理等方面，在高壓直流輸電系統(tǒng)交流側(cè)繼電保護(hù)方面文獻(xiàn)較少。文獻(xiàn)［32］研究了應(yīng)用HVDC（高壓直流）作為系統(tǒng)軟啟動(dòng)的相關(guān)保護(hù)問(wèn)題，著重闡述了系統(tǒng)軟啟動(dòng)在減輕系統(tǒng)沖擊和降低系統(tǒng)諧振方面的應(yīng)用。文獻(xiàn)［33］分析了系統(tǒng)故障、勵(lì)磁涌流等情形下引發(fā)的換流變角側(cè)繞組電流互感器飽和問(wèn)題，以及對(duì)差動(dòng)保護(hù)的影響，未涉及柔性控制過(guò)程在系統(tǒng)故障情形下的響應(yīng)特征。

基于現(xiàn)有柔性直流輸電工程的實(shí)施，本文著重分析柔性直流輸電工程中影響換流變差動(dòng)保護(hù)靈敏性、速動(dòng)性的因素，并結(jié)合相關(guān)工程的聯(lián)調(diào)實(shí)驗(yàn)情況，分析柔性直流輸電系統(tǒng)交流側(cè)變壓器區(qū)內(nèi)故障下的波形特征，探討常規(guī)變壓器差動(dòng)保護(hù)在此類故障情況下的適應(yīng)性，為后續(xù)類似海上風(fēng)電柔性直流工程的實(shí)施提供工程案例和技術(shù)參考。

1 柔性直流輸電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

如圖1所示，陸上換流站的換流變連接了換流閥和交流電網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)柔性電網(wǎng)與交流電網(wǎng)的并網(wǎng)。由于陸上站換流變的網(wǎng)側(cè)為常規(guī)電網(wǎng)，陸上站換流變區(qū)內(nèi)故障特征與常規(guī)變壓器區(qū)內(nèi)故障特征差異不大。

圖1 海上風(fēng)電柔性直流輸電系統(tǒng)Fig.1 The VSC-HVDC transmission system connected to offshore wind farms

海上換流站的換流變網(wǎng)側(cè)為風(fēng)機(jī)匯集母線，閥側(cè)為柔性換流閥。正常運(yùn)行時(shí)，潮流由風(fēng)機(jī)匯集母線流入換流變，經(jīng)換流閥整流后，通過(guò)直流海纜輸送至陸上換流站。海上換流變區(qū)內(nèi)故障時(shí)，可視風(fēng)機(jī)側(cè)、換流閥側(cè)均為電源側(cè)，為雙端有源系統(tǒng)，同時(shí)也是雙端受控系統(tǒng)，這正是柔性直流輸電系統(tǒng)中換流變的特殊性所在。下文分析相關(guān)控制策略對(duì)換流變差動(dòng)保護(hù)的影響。

2 柔性直流輸電系統(tǒng)故障特性分析

2.1 換流閥控制保護(hù)的故障穿越特性

當(dāng)交流系統(tǒng)發(fā)生不對(duì)稱故障時(shí)，分解圖1中的系統(tǒng)電壓Um得到正序分量和負(fù)序分量，此時(shí)交流電壓矢量在αβ平面上的運(yùn)動(dòng)軌跡為橢圓，即當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生不對(duì)稱故障時(shí)，電壓矢量的模不恒定，隨時(shí)間的變化出現(xiàn)波動(dòng)。因此，為保證聯(lián)網(wǎng)情形下系統(tǒng)發(fā)生不對(duì)稱故障時(shí)閥側(cè)電壓穩(wěn)定，需要對(duì)負(fù)序分量進(jìn)行抑制。同時(shí)，對(duì)閥輸出的電流進(jìn)行控制，當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生金屬性故障時(shí)，設(shè)定其輸出相電流不超過(guò)其能力上限（如1.2倍額定電流）可以保證系統(tǒng)故障時(shí)閥組的安全，并具備一定的故障穿越能力，此時(shí)閥側(cè)輸出電流可視為1.2倍額定電流的近似恒流源。

該限流特性使得同等類型的系統(tǒng)故障情形下，柔性直流系統(tǒng)的短路電流遠(yuǎn)小于常規(guī)交流系統(tǒng)的短路電流，故障特征較為輕微，增加了繼電保護(hù)的判別難度，同時(shí)也使得后備保護(hù)的配合存在一定困難。

考慮到系統(tǒng)故障暫態(tài)過(guò)程中可能存在非周期分量導(dǎo)致短路電流瞬時(shí)值越過(guò)閥安全閾值（導(dǎo)致閥保護(hù)動(dòng)作、閥退出運(yùn)行）的風(fēng)險(xiǎn)，一般還設(shè)置橋臂過(guò)流保護(hù)。典型定值為1.65～1.70倍額定電流，該保護(hù)動(dòng)作后短時(shí)（一般為10 ms）閉鎖閥，此時(shí)閥輸出的瞬時(shí)電流為0。

閥瞬時(shí)閉鎖措施容易造成故障過(guò)程中短路電流不連續(xù)，出現(xiàn)電流波形大幅波動(dòng)的情形（由上升正弦函數(shù)值突然跌落至0），使得相電流頻域計(jì)算產(chǎn)生大量計(jì)算諧波，同時(shí)造成電流有效值積分下降，干擾差動(dòng)保護(hù)判別。令額定電流為1 A，有效值為1.2 A 的基波正弦波疊加0.6 A 非周期分量，當(dāng)波形瞬時(shí)值大于1.65 A 時(shí)，設(shè)置瞬時(shí)電流為0的基波計(jì)算及2、3 次諧波含量計(jì)算的結(jié)果如表1所示。結(jié)果表明，瞬時(shí)閉鎖時(shí)間越長(zhǎng)，有效值下降越大，諧波含量越高。

表1 閥瞬時(shí)閉鎖后的有效值及諧波計(jì)算Table 1 The calculated effective values and harmonics after instantaneous locking of the converter valve

2.2 全功率型逆變器的諧波特性

系統(tǒng)發(fā)生不對(duì)稱故障時(shí)，短路電流、電壓中出現(xiàn)的負(fù)序分量導(dǎo)致逆變器直流側(cè)母線電壓中產(chǎn)生二倍頻振蕩，該振蕩分量經(jīng)過(guò)控制回路流通后將在逆變器輸出的短路電流中生成3次諧波［34］。

該奇次諧波電流使得交流電網(wǎng)側(cè)系統(tǒng)的相電流產(chǎn)生畸變，對(duì)變壓器差動(dòng)保護(hù)判別造成諧波污染，干擾電流互感器飽和判別，降低保護(hù)可靠性。

此外，以圖1 中K1點(diǎn)發(fā)生不對(duì)稱故障為例，風(fēng)機(jī)側(cè)輸出電流（含3次諧波）由TA1流入差回路，由于區(qū)內(nèi)故障的存在，該3次諧波無(wú)法穿越性流出差回路，進(jìn)而造成差流含3次諧波分量。該特性也將影響差動(dòng)保護(hù)的勵(lì)磁涌流判別，降低保護(hù)可靠性。

3 換流變差動(dòng)保護(hù)影響評(píng)估

本章將分析序分量濾除或序分量衰減后對(duì)換流變差動(dòng)保護(hù)靈敏度的影響。

由于海上平臺(tái)空間有限，目前典型海上站換流變?yōu)槿嘁惑w式、含平衡繞組的主接線形式，一般不設(shè)置繞組尾端電流互感器，換流變差動(dòng)保護(hù)取各側(cè)開關(guān)電流進(jìn)行判別，因此換流變差動(dòng)保護(hù)需要濾除零序分量，本文僅分析負(fù)序分量消減對(duì)比例特性的影響。

設(shè)比例制動(dòng)方程如下：

式中：I?i為變壓器各側(cè)電流相量；Iqd為穩(wěn)態(tài)比率差動(dòng)啟動(dòng)定值；Id為差動(dòng)電流；Ir為制動(dòng)電流；kb1為比率制動(dòng)系數(shù)整定值(0.2≤kb1≤0.75)，本文設(shè)為kb1=0.5。

現(xiàn)有差動(dòng)保護(hù)一般為三折線式比例差動(dòng)，由于柔性輸電系統(tǒng)故障情形下短路電流整體受限，制動(dòng)電流達(dá)不到第三折區(qū)域。因此，簡(jiǎn)便起見(jiàn)，本處采用二折線比例制動(dòng)式分析方法。

圖1所示的各風(fēng)電場(chǎng)均只送出有功功率，不傳送無(wú)功功率，即正常運(yùn)行及K1點(diǎn)故障情形下，換流變網(wǎng)側(cè)母線上的3個(gè)線路間隔流入電流均與系統(tǒng)電壓同相位。在分析換流變區(qū)內(nèi)故障時(shí)，由各風(fēng)電場(chǎng)送出的電流特性可等同于換流變TA1 網(wǎng)側(cè)電流特性進(jìn)行分析。

如圖1中的兩繞組換流變，當(dāng)變壓器發(fā)生區(qū)內(nèi)短路時(shí)（K1處），記網(wǎng)側(cè)電流相量為I?m=Ip∠0°，閥側(cè)電流相量為I?n=qIp∠θ°，即設(shè)閥側(cè)電流相量的模為網(wǎng)側(cè)電流相量模Ip的q倍，兩側(cè)相量角差為θ。

由式（1）可得，差流Id、制動(dòng)電流Ir、制動(dòng)門檻Ith分別表示為：

式中：Iqd-0.25為常數(shù)，記為aIp。

整理式（2），得到差動(dòng)保護(hù)靈敏度Ks的表達(dá)式為：

由式（3）分析可知：角差θ越?。床罨芈废嚯娏魍蛐栽胶茫?，保護(hù)靈敏度越高；當(dāng)短路電流遠(yuǎn)大于差動(dòng)啟動(dòng)值（即a很?。?、兩側(cè)短路電流為同相位（θ=0°）或單側(cè)有流時(shí)，差動(dòng)保護(hù)靈敏度接近于4。

柔性輸電系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，短路電流受控，一般不會(huì)出現(xiàn)遠(yuǎn)大于差動(dòng)啟動(dòng)值的情形；差回路的流出電流（正序負(fù)荷電流）在減小差流的同時(shí)，增加了制動(dòng)量；此外，負(fù)序分量（故障分量）受負(fù)序抑制策略的影響，容易出現(xiàn)負(fù)序占比降低的故障特征。上述因素都將對(duì)差動(dòng)保護(hù)靈敏度產(chǎn)生不利影響。

差流Id、制動(dòng)電流Ir、制動(dòng)門檻Ith可分別表示為：

整理式（5），得到差動(dòng)保護(hù)靈敏度Ks為：

系統(tǒng)負(fù)序阻抗角與變壓器負(fù)序阻抗角相近，當(dāng)故障在變壓器區(qū)內(nèi)時(shí)，約定遠(yuǎn)離主變側(cè)為電流互感器極性端，故障負(fù)序源位于差回路內(nèi)部，因此，差回路兩側(cè)故障負(fù)序分量有較好的同向性，即θ1≈θ3。本處僅分析負(fù)序抑制對(duì)靈敏度的影響，略去常數(shù)項(xiàng)，得到差動(dòng)保護(hù)靈敏度為：

以圖1 所示的某220 kV 海上風(fēng)電柔性直流輸電工程模型為例，仿真網(wǎng)側(cè)AC相間短路故障，以網(wǎng)側(cè)正序電壓相位為基準(zhǔn)，故障進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后，網(wǎng)側(cè)正序電流相量為0.175∠0°A，網(wǎng)側(cè)負(fù)序電流相量為0.195∠30°A； 閥側(cè)正序電流相量為1.34∠75°A，閥側(cè)負(fù)序電流相量為1.39∠5°A。作相量圖如圖2所示。

圖2 差回路故障相量圖Fig.2 Vector diagram of a differential circuit fault

如圖2所示，負(fù)序分量的同方向性能夠助增兩側(cè)相電流的同方向性，有助于差動(dòng)保護(hù)靈敏度Ks的提高。

保持圖2 中變壓器兩側(cè)電流的正序分量不變，將兩側(cè)電流的負(fù)序分量乘以相同小數(shù)，分析進(jìn)一步消減負(fù)序分量對(duì)差動(dòng)靈敏度的影響。表2給出了兩種差動(dòng)整定值情形下的靈敏度計(jì)算值。

表2 負(fù)序進(jìn)一步消減后的差動(dòng)靈敏度Table 2 Variations in relay protection sensitivity with the decrease in negative-sequence components

分析表2可以看出：柔性直流輸電系統(tǒng)中相電流的負(fù)序分量占比越低，則差動(dòng)保護(hù)靈敏度越低，差動(dòng)定值整定越高，該靈敏度下降幅度越大。本文所述的仿真案例中，在較高差動(dòng)整定值情形下，當(dāng)負(fù)序完全消減時(shí)，差動(dòng)靈敏度將下降到2以下。

4 仿真驗(yàn)證

以圖1 所示的某220 kV 海上風(fēng)電柔性直流輸電工程模型進(jìn)行RTDS（實(shí)時(shí)數(shù)字仿真系統(tǒng)）動(dòng)模仿真實(shí)驗(yàn)。模型相關(guān)參數(shù)見(jiàn)表3。由表3 計(jì)算可得，換流變網(wǎng)側(cè)二次額定電流為0.533 4 A，閥側(cè)二次額定電流為0.589 7 A。

表3 系統(tǒng)仿真參數(shù)Table 3 Simulated parameters of the system

下文對(duì)風(fēng)機(jī)停運(yùn)和風(fēng)機(jī)滿載運(yùn)行這兩種工況下的變壓器區(qū)內(nèi)各類故障進(jìn)行仿真分析。繼電保護(hù)計(jì)算過(guò)程中會(huì)濾除非周期分量，因此，本文不分析系統(tǒng)故障的非周期分量特性。

4.1 風(fēng)機(jī)停運(yùn)

仿真工況1：風(fēng)機(jī)停運(yùn)、換流閥零輸出功率情形下，1 號(hào)換流變區(qū)內(nèi)K1處發(fā)生單相金屬性接地故障，故障持續(xù)時(shí)間100 ms。

1 號(hào)換流變相關(guān)電氣量的仿真波形如圖3 所示。由于1、2號(hào)換流變并列運(yùn)行，當(dāng)K1處發(fā)生故障時(shí)，1號(hào)換流變網(wǎng)側(cè)有自2號(hào)換流變注入的短路電流，短路電流整體呈下降趨勢(shì)。同時(shí)，非故障相C相電壓有較明顯的跌落現(xiàn)象。差動(dòng)比例特性、序分量情況如圖4所示。

圖3 仿真工況1下的換流變電氣量波形Fig.3 Waveforms of electrical quantities of the converter transformer in the first simulated operating condition

圖4 仿真工況1下的差動(dòng)靈敏度及序分量計(jì)算值Fig.4 The calculated relay protection sensitivities and sequence components in the first simulated operating condition

圖4計(jì)算結(jié)果表明：在該故障過(guò)程中，故障相電流（最大相電流折合約1.3倍額定電流）遠(yuǎn)小于常規(guī)系統(tǒng)金屬性單相接地故障電流，且故障相電流、正序分量和負(fù)序分量在故障過(guò)程中呈現(xiàn)持續(xù)下降趨勢(shì)。受上述因素影響，差動(dòng)靈敏度整體呈下降趨勢(shì)，當(dāng)差動(dòng)啟動(dòng)值整定為0.6 p.u.時(shí)，縱差保護(hù)靈敏度最高為2.5，最低為1.6。在該仿真中，兩側(cè)電流變化相對(duì)平緩，因此波形諧波含量相對(duì)較低，常規(guī)差動(dòng)保護(hù)能夠較快動(dòng)作。

仿真工況2：風(fēng)機(jī)停運(yùn)、換流閥零輸出功率情形下，1 號(hào)換流變區(qū)內(nèi)K1處發(fā)生相間金屬性短路故障，故障持續(xù)時(shí)間100 ms。

故障過(guò)程的換流變相關(guān)電氣量仿真波形如圖5所示。在故障后第10 ms，閥進(jìn)入短時(shí)閉鎖狀態(tài)，輸出相電流瞬時(shí)值接近于0，共持續(xù)約10 ms，故障相電流存在短時(shí)間斷特征。故障過(guò)程中，穩(wěn)態(tài)短路電流約折合1.2倍額定電流。

圖5 仿真工況2下的換流變電氣量波形Fig.5 Waveforms of electrical quantities of the converter transformer in the second simulated operating condition

分析故障過(guò)程的差動(dòng)保護(hù)靈敏度和諧波計(jì)算結(jié)果如圖6所示。受閥短時(shí)閉鎖影響，系統(tǒng)進(jìn)入故障后的短時(shí)內(nèi)，相電流出現(xiàn)劇烈變化，因此相電流和差流2次諧波計(jì)算均產(chǎn)生較長(zhǎng)時(shí)間的高含量計(jì)算諧波，故障后約25 ms相電流進(jìn)入穩(wěn)態(tài)，此后諧波計(jì)算值逐漸跌落至小值。在該過(guò)程中，當(dāng)差動(dòng)啟動(dòng)值整定為0.6 p.u.時(shí)，縱差保護(hù)靈敏度最高為2.1，最低為1.4。

圖6 仿真工況2的下差動(dòng)靈敏度及序分量計(jì)算值Fig.6 The calculated relay protection sensitivities and sequence components in the second simulated operating condition

閥的瞬時(shí)閉鎖過(guò)程延長(zhǎng)了2次諧波含量的計(jì)算值衰減時(shí)間，該過(guò)程引起繼電保護(hù)的飽和、勵(lì)磁涌流等諧波判據(jù)開放速度緩慢，差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作速度下降，低于常規(guī)交流系統(tǒng)中典型區(qū)內(nèi)金屬性故障下的保護(hù)動(dòng)作速度。

仿真K1點(diǎn)兩相接地和三相短路故障，整體特征、相關(guān)計(jì)算值與相間短路相似，本處不再贅述。

4.2 風(fēng)機(jī)投運(yùn)

仿真工況3：風(fēng)機(jī)滿功率送出、2 號(hào)換流變停運(yùn)，仿真1 號(hào)換流變區(qū)內(nèi)K1處發(fā)生金屬性A 相接地故障，故障持續(xù)時(shí)間100 ms。

故障過(guò)程的換流變相關(guān)電氣量仿真波形如圖7所示。觀察波形特征可知：故障期間風(fēng)機(jī)側(cè)輸出電流中，故障相、非故障相電流均存在諧波特征，以奇數(shù)次較為明顯。換流閥側(cè)非故障相也出現(xiàn)了諧波畸變特征。此外，故障后約1個(gè)周期出現(xiàn)了閥側(cè)輸出電流短時(shí)跌落的現(xiàn)象，該特征也產(chǎn)生了較高的諧波。

圖7 仿真工況3下的換流變電氣量波形Fig.7 Waveforms of electrical quantities of the converter transformer in the third simulated operating condition

計(jì)算該故障過(guò)程的相電流特征諧波，非故障相諧波特征如圖8 所示。由圖8 可知：系統(tǒng)故障后，風(fēng)機(jī)側(cè)輸出電流出現(xiàn)短時(shí)波動(dòng)，故障進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后，非故障相電流中3次諧波含量較高，波形畸變明顯，B相穩(wěn)態(tài)3次諧波含量約為50%，C相穩(wěn)態(tài)3 次諧波含量約為25%。由于故障相的基波分量有效值高于非故障相，故障相3次諧波含量穩(wěn)態(tài)值低于非故障相，故障相電流整體以工頻為主。

圖8 仿真工況3下風(fēng)機(jī)側(cè)非故障相電流諧波分析Fig.8 Harmonic analysis of non-fault phase currents on the wind turbine side in the third simulated operating condition

閥側(cè)波形特征與仿真工況2較為相似，波形有短暫的限流波動(dòng)過(guò)程。故障過(guò)程的差動(dòng)靈敏度及差流諧波含量分析如圖9 所示，由圖9 可以看出：受該電流波動(dòng)影響，故障后2個(gè)周期內(nèi)差流存在較大的2次諧波含量，該波動(dòng)也引起了差動(dòng)保護(hù)靈敏度的下降，當(dāng)差動(dòng)啟動(dòng)值整定為0.6 p.u.時(shí)，差動(dòng)保護(hù)靈敏度波動(dòng)范圍為2.0～2.5。

圖9 仿真工況3下的差動(dòng)靈敏度及差流諧波含量分析Fig.9 Analysis of relay protection sensitivity and harmonic content of differential current in the third simulated operating condition

仿真工況4：風(fēng)機(jī)滿功率送出、2 號(hào)換流變停運(yùn)，仿真1號(hào)換流變區(qū)內(nèi)K1處發(fā)生金屬性AC相間故障，故障持續(xù)時(shí)間100 ms。

故障過(guò)程的換流變相關(guān)電氣量仿真波形如圖10 所示。觀察波形特征可知：故障期間風(fēng)機(jī)側(cè)輸出電流存在諧波畸變特征。類似于仿真工況2，閥在故障期間出現(xiàn)了短時(shí)閉鎖，該時(shí)間段內(nèi)輸出短路電流瞬時(shí)值接近于0，波形有間斷。

圖10 仿真工況4下的換流變電氣量波形Fig.10 Waveforms of electrical quantities of the converter transformer in the fourth simulated operating condition

計(jì)算故障過(guò)程的相電流特征諧波如圖11所示。由圖11 可知：系統(tǒng)故障后，風(fēng)機(jī)側(cè)輸出電流的諧波以3次諧波為主，由于非故障相基波分量有效值不大，因而該相諧波含量計(jì)算值較高，穩(wěn)態(tài)計(jì)算值接近100%，故障相C 相穩(wěn)態(tài)3 次諧波含量約為15%～20%。

仿真工況4下的差動(dòng)靈敏度及差流諧波含量分析如圖12所示。由圖12可知：受故障后出現(xiàn)的閥短時(shí)閉鎖影響，故障后2個(gè)周期內(nèi)差流出現(xiàn)大幅變化，因而產(chǎn)生較大的2次諧波，該波動(dòng)也使該區(qū)間內(nèi)差動(dòng)保護(hù)靈敏度下降至1以下，當(dāng)差動(dòng)啟動(dòng)值整定為0.6 p.u.時(shí)，差動(dòng)保護(hù)的穩(wěn)態(tài)靈敏度波動(dòng)范圍為1.8～2.2。

綜合上述仿真結(jié)果可知：在系統(tǒng)不對(duì)稱故障期間，本文所述的海上風(fēng)電柔性直流輸電工程風(fēng)機(jī)側(cè)送出電流含3 次諧波，該3 次諧波在故障相、非故障相中均有分布；換流閥設(shè)置的短時(shí)閉鎖、限流措施大幅降低了系統(tǒng)短路電流，同時(shí)該控制過(guò)程也造成了波形在短時(shí)間內(nèi)大幅波動(dòng)，抬高了諧波含量。上述因素均容易對(duì)繼電保護(hù)形成諧波污染，導(dǎo)致繼電保護(hù)諧波閉鎖判據(jù)開放緩慢，保護(hù)速動(dòng)性受到影響。同時(shí)，系統(tǒng)短路容量的降低還拉低了差動(dòng)保護(hù)靈敏度，同故障類型下，柔性直流輸電系統(tǒng)的短路電流遠(yuǎn)小于常規(guī)輸電系統(tǒng)，仿真結(jié)果與理論分析結(jié)果相符。

5 結(jié)論

本文進(jìn)行了海上柔性輸電系統(tǒng)的換流變差動(dòng)保護(hù)適應(yīng)性分析，得到如下結(jié)論：

1）全功率型逆變器在暫態(tài)故障過(guò)程中，負(fù)序分量受到一定程度的抑制，但未被完全消除，整體趨勢(shì)呈現(xiàn)消減特征。在系統(tǒng)不對(duì)稱故障情況下，逆變器輸出的短路電流中含3次諧波分量，將影響差動(dòng)保護(hù)的勵(lì)磁涌流判別和電流互感器飽和判別。

2）換流閥的負(fù)序抑制、限流措施使得系統(tǒng)故障期間正、負(fù)序分量持續(xù)跌落，電流故障特征削弱，短路電流水平遠(yuǎn)小于常規(guī)輸電系統(tǒng)的同類型故障。

3）柔性直流輸電系統(tǒng)中受電流抑制、閥短時(shí)閉鎖等措施影響，縱差保護(hù)靈敏度有所降低。工程應(yīng)用時(shí)，在不影響保護(hù)可靠性的基礎(chǔ)上，可適當(dāng)降低差動(dòng)保護(hù)啟動(dòng)定值，提高保護(hù)靈敏度。

4）在柔性直流輸電系統(tǒng)故障的暫態(tài)過(guò)程中，相電流、差流波形畸變明顯，諧波含量豐富，容易對(duì)差動(dòng)保護(hù)形成諧波污染，降低差動(dòng)保護(hù)可靠性和速動(dòng)性。