海上風電柔性直流送出線路的縱聯(lián)保護方法

劉 樹，楊林剛，劉 斌，王霄鶴，梅紅明，高玉青

（1.北京四方繼保自動化股份有限公司，北京 100085；2.中國電建集團華東勘測設計研究院有限公司，杭州 311122）

實現(xiàn)傳統(tǒng)化石能源的清潔化、推動可再生能源的規(guī)模化是我國經(jīng)濟和社會發(fā)展的一項重大任務[1-2]。風力發(fā)電是清潔能源中發(fā)展最成熟、商業(yè)應用最廣泛的發(fā)電技術之一。目前，陸上風電待開發(fā)資源日益減少，近海風電由于環(huán)保、生態(tài)等因素，發(fā)展受到限制[3]。而深遠海具有更廣的范圍和更豐富的風電資源，又不占據(jù)岸線和航道資源。因此，遠距離海上風電是風電的發(fā)展趨勢。

高壓交流輸電由于海底電纜的電容效應，不適用于遠距離的海上風電并網(wǎng)[4]。而高壓直流輸電的輸送距離更遠，因此，采用直流輸電技術已成為大容量遠距離海上風電場并網(wǎng)的理想解決方案，尤其是模塊化多電平柔性直流輸電是目前研究的熱點[5-6]。

不基于通信的單端量保護只利用局部信息即可識別直流故障，具有較高的判斷速度。因此，單端量保護通常作為直流線路的主保護[7]。電流縱聯(lián)保護是利用線路兩端電流直接相加得到判據(jù)，在區(qū)外故障或穩(wěn)態(tài)運行時，差動電流為穿越電流，不會引起保護動作；在區(qū)內故障時，線路兩端保護流過的電流均為正方向，差動電流大于門檻值，差動保護動作[8]往往被作為直流輸電線路的后備保護。

在柔直系統(tǒng)中，偽雙極接線方式不需要設置專門的接地極，故海上風電柔直送出系統(tǒng)一般采用偽雙極接線[9]。此外，海上風電直流送出通道為海底電纜，發(fā)生雙極短路的概率很低。在偽雙極系統(tǒng)發(fā)生單極接地故障時，換流器幾乎不向故障點提供故障電流，在故障初期，故障電流主要由直流電纜分布電容產(chǎn)生[10-11]。當區(qū)外故障時，差動電流為被保護線路的電容電流，尤其是直流輸電線路距離較長，分布式電容電流過大會導致差動電流過大，導致傳統(tǒng)的電流縱聯(lián)保護不能可靠地區(qū)分區(qū)內和區(qū)外故障。在故障穩(wěn)態(tài)階段，故障電流幾乎為零，電流縱聯(lián)保護僅僅依靠時間延時也不能可靠地判別區(qū)內故障。

針對上述問題，眾多研究者提出了基于電容電流補償?shù)谋Ｗo原理。文獻[12]提出采用貝瑞隆模型與頻變參數(shù)模型解決電流差動保護中電容電流的問題。文獻[13]分析了長線路中分布電容對現(xiàn)有保護的影響，提出了一種電容電流補償?shù)闹绷鞑顒颖Ｗo方法。文獻[14]提出了一種自適應時域補償方法，提高了補償精度和電流差動保護的靈敏度。文獻[15]通過補償線路兩端保護接收故障信號時差的方法來進行電容電流的補償，提高了直流差動保護的可靠性。文獻[16-18]提出了基于線路精確模型的電容電流補償方法。但是，目前上述電容電流補償方法的時間窗仍然較長，在保護速動性和可靠性方面仍有所欠缺。

鑒于此，本文提出了一種適用于海上風電柔直送出線路的行波縱聯(lián)保護方案。該方案基于行波原理，分別通過線路兩端保護判斷故障方向，再利用方向縱聯(lián)區(qū)分內、外部故障。該方法不受暫態(tài)分布電容電流的影響，PSCAD仿真結果充分驗證了所提方法的有效性和優(yōu)越性。

1 海上風電柔直送出線路的保護難點

以圖1所示的海上風電柔直送出系統(tǒng)的拓撲為例進行分析，兩個海上風電場各接入一個柔性換流站，再分別經(jīng)一回直流海底電纜線路送出，最終經(jīng)過一個陸上換流站并入電網(wǎng)。

圖1 海上風電柔直送出系統(tǒng)拓撲Fig.1 Topology of VSC-HVDC system for offshore wind farms

柔性直流的接線方式可分為真雙極和偽雙極接線兩類。其中，偽雙極接線方式不需要設置專門的接地極，故海上風電柔直送出系統(tǒng)一般采用偽雙極接線。

1.1 偽雙極直流系統(tǒng)單極接地故障分析

偽雙極接地方式一般可分為直流側接地和交流側接地，如圖2所示。圖2（a）為在換流器出口直流兩極線上并聯(lián)接地大電阻，屬于直流側接地；圖2（b）為換流變中性點經(jīng)大電阻接地，圖2（c）為閥側交流接星型電感并串聯(lián)大電阻接地，二者均屬于交流側接地[19]。當發(fā)生單極接地故障時，對于直流側接地方式來說構不成放電回路，故障電流也就不存在；而對于交流側接地方式，雖構成放電回路，但放電回路中均接入了大電阻，因此故障電流很小。

圖2 典型的偽雙極接線方式Fig.2 Typical connection modes of pseudo bipolar

本文以圖2（b）中換流變閥側中性點經(jīng)電阻接地為例，分析偽雙極系統(tǒng)中的單極接地故障特性。正極接地故障的示意圖如圖3（a）所示，其中Rl、Ll和C分別為直流正極線路的等值電阻、電感和電容，RN為換流變閥側中性點接地電阻。故障發(fā)生初期的等值電路如圖3（b）所示，故障線路電流僅由線路電容放電電流構成。線路電容的放電過程使電壓下降，交流側逐漸向直流側饋流，如圖3（c）所示。但由于換流變中性點大電阻RN的存在，交流側饋流極其微小，近乎為零，可忽略不計。

圖3 單極接地故障的等值電路Fig.3 Equivalent circuit under single-pole grounding fault

1.2 電流縱聯(lián)保護在海上風電柔直送出線路的問題

理論上，直流線路處于正常運行及外部故障時，差動電流為穿越電流，直流線路縱聯(lián)保護不會動作，只有在線路內部故障時保護才動作。但對于長距離直流電纜輸電線路而言，在發(fā)生外部故障的暫態(tài)過程中，較大的分布電容電流的存在很有可能導致線路縱聯(lián)保護誤動作，對保護可靠性造成極大的影響。

以圖1所示的海上風電柔直送出系統(tǒng)的拓撲為例進行分析，該柔直系統(tǒng)為偽雙極系統(tǒng)且采用換流變閥側星接中性點經(jīng)大電阻接地方式。以正極接地故障為例，當直流電纜1發(fā)生區(qū)內正極接地故障時，等值電路圖如圖4（a）所示；當直流電纜1發(fā)生區(qū)外正極接地故障時，等值電路圖如圖4（b）所示。這里，等值電路僅考慮兩回直流電纜的正極線路。

圖4 單極接地故障等值電路Fig.4 Equivalent circuit under single-pole grounding fault

圖4中，R1、L1和C1分別為直流電纜1正極線路的等值電阻、電感和電容，R2、L2和C2分別為直流電纜2正極線路的等值電阻、電感和電容。由于換流變閥側中性點大電阻的影響，換流器向故障點潰流很小，幾乎可以忽略。當發(fā)生區(qū)內故障時，從等值電路圖4（a）可以看出，直流電纜1和2的正極線路同時向故障點放電。直流電纜1的電容放電電流不流經(jīng)線路兩端的保護，流經(jīng)保護Y處的電流IY幾乎為零，流經(jīng)保護M處的電流IM為直流電纜2的電容電流，故直流電纜1處的差動電流為直流電纜2的電容放電電流，即相鄰電纜線路的電容電流。

當發(fā)生區(qū)外故障時，從等值電路圖4（b）可以看出，直流電纜1和2也同時向故障點放電。直流電纜2的電容放電電流不流經(jīng)直流電纜1兩端的保護，流過直流電纜1保護Y處的電流幾乎為零，流過保護M處的電流為直流電纜1的電容放電電流，即本線路分布電容電流。因此，直流電纜1處的差動電流為本線路電纜電容電流。

綜合上述分析可知，在故障初期，如果被保護線路與相鄰線路的長度相似時，區(qū)內、外故障時的差動電流非常接近，尤其當區(qū)內發(fā)生經(jīng)過渡電阻接地時，其差動電流遠小于區(qū)外金屬性故障，故電流縱聯(lián)保護無法可靠區(qū)分區(qū)內故障和區(qū)外故障。在故障穩(wěn)態(tài)階段，由于換流變中性點大電阻的存在，故障電流幾乎為零，電流縱聯(lián)保護僅依靠時間延時也不能可靠地判別區(qū)內故障。因此，電流縱聯(lián)保護不適用于海上風電偽雙極柔直送出線路。

2 海上風電柔直送出線路縱聯(lián)保護方法

2.1 直流輸電線路的行波基本原理

輸電線可假設由無數(shù)長度為dx的小段組成，設每單位長度的導線電感為L、電阻為r、對地電容為C、對地電導為g，則線路的分布參數(shù)模型如圖5所示。

圖5 線路的分布參數(shù)模型Fig.5 Distributed parameter model of transmission line

圖5所示的線路模型滿足關系式

為便于求解，將式（1）轉換到頻域內求解，對于直流輸電線路，可表示為如下形式：

式中：Zs、Zm、Ys和Ym分別為線路的自阻抗、互阻抗、自導納和互導納；UP和IP分別為正極極線的電壓和電流；UN和IN分別為負極極線的電壓和電流。

設存在0模和1模分量滿足如下關系：

式中：U0、I0、U1和I1分別為0模和1模的電壓和電流分量；Q為特征向量矩陣。

對式（2）和式（3）分別進行求導，并把式（4）和式（5）代入到電壓和電流的二階微方程中可得

根據(jù)式（7）、（8）可得到行波的通解為

其中：

式中：Z0和γ0分別為0模的波阻抗和傳播常數(shù)；Z1和γ1分別為1模的波阻抗和傳播常數(shù)；F0、B0分別為電壓0模分量的正向行波幅值和反向行波幅值；F1、B1分別為電壓1模分量的正向行波幅值和反向行波幅值。式（9）、（10）中等號右側第1項可認為是正向行波Δur，第2項可認為是反向行波Δue。

2.2 行波方向縱聯(lián)保護的原理及判據(jù)

以如圖6所示的三端柔性直流輸電系統(tǒng)拓撲為例，分析行波方向縱聯(lián)保護的原理，為便于說明，以下分析均以保護M為例。

圖6 三端柔直輸電系統(tǒng)示意Fig.6 Schematic of three-terminal VSC-HVDC transmission system

2.2.1 正方向故障

當保護M的正方向f1發(fā)生故障時，故障附加網(wǎng)絡如圖7（a）所示，故障行波傳輸過程如圖7（b）所示。

圖7 正方向故障時行波傳輸特性Fig.7 Transmission characteristics of traveling wave under positive-direction fault

由上述分析可知，當保護正方向f1故障時，在t0～t0+2l1/v時間段內，保護M處的入射波與反射波之間均存在一個線路邊界的反射系數(shù)，即測得的正向行波Δur和反向行波Δue之比可認為是行波在母線處的反射系數(shù)kr，如式（12）所示。

正向行波Δur和反向行波Δue的計算公式為

式中，r取0或1，分別代表0模和1模分量。

當保護正方向發(fā)生故障時，在故障行波經(jīng)背側線路末端反射達到本線路保護安裝處的時間段內，正向行波與反向行波幅值比將小于1。

2.2.2 反方向故障

當保護M的反方向f2發(fā)生故障時，故障附加網(wǎng)絡如圖8（a）所示，故障行波傳輸過程如圖8（b）所示。當故障行波到達保護M處，將發(fā)生折射和反射，其中，折射波將繼續(xù)向保護所在的線路末端傳播，并經(jīng)線路末端反射至保護M處，令該時間段為t0～t0+2l2/v（t0為初始故障行波到達保護M處時刻，l2為保護M所在線路的長度）。在該時間段內，保護M處的故障行波主要包括：①經(jīng)故障點反射的行波經(jīng)本線路始端折射產(chǎn)生的折射波；②經(jīng)過背側線路末端反射的行波經(jīng)本線路始端折射產(chǎn)生的折射波。

圖8 反方向故障時行波傳輸特性Fig.8 Transmission characteristics of traveling wave under reverse-direction fault

上述分析可知，在t0～t0+2l2/v時間段內保護M處的電壓和電流故障行波主要由上述兩種行波構成，此時僅存在正向行波，反向行波未到達保護M處而為零。初始故障行波經(jīng)線路始端發(fā)生折射形成正向行波，而在該正向行波經(jīng)保護所在的線路末端反射至該保護處期間，反向行波接近于零。因此，此時正向行波與反向行波幅值比值將遠遠大于1。

因此，行波方向縱聯(lián)保護可基于上述行波傳輸特征，利用正向行波和反向行波幅值比的方法判斷故障方向。即故障啟動后，若正向行波和反向行波幅值比小于整定值，則保護判為正方向故障，R取1；若正向行波和反向行波幅值比大于整定值kset（整定值kset一般選用略大于1的數(shù)，這里取2），則保護判為反方向故障，R取0，如式（14）所示。

線路兩端的保護分別根據(jù)式（14）判斷故障方向，并根據(jù)如式（15）所示的故障識別判據(jù)進行方向縱聯(lián)，據(jù)此判別區(qū)、內外故障。

3 算例分析

基于PSCAD/EMTDC電磁暫態(tài)仿真平臺搭建了如圖9所示的海上風電柔直送出系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用換流變閥側星接中性點經(jīng)大電阻接地的偽雙極接線方式。兩個海上風電場分別經(jīng)過一回±250 kV直流海底電纜線路送出，線路長度均為50 km，由一個陸上換流站匯入電網(wǎng)。該系統(tǒng)主要參數(shù)如表1所示。直流電纜線路采用的是依頻參數(shù)模型，兩條電纜的線路參數(shù)是一致的，如表2所示。

圖9 仿真算例拓撲Fig.9 Topology of simulation example

表1 仿真算例的主要參數(shù)Tab.1 Main parameters of simulation example

表2 直流電纜的主要參數(shù)Tab.2 Main parameters of DC cables

3.1電流縱聯(lián)保護算法驗證

如圖9所示，故障f1對于保護PY來說為內部故障，f2為外部故障。為了驗證電流縱聯(lián)保護在偽雙極系統(tǒng)中的可行性，令f1處金屬性單極接地和f2處金屬性單極接地，差動電流Idiff的仿真結果如圖10（a）所示；令f1處經(jīng)300 Ω過渡電阻單極接地和f2處金屬性單極接地，差動電流Idiff的仿真結果如圖10（b）所示，其中t=2 s為故障發(fā)生時刻。

圖10 電流縱聯(lián)保護仿真結果Fig.10 Simulation results of current pilot protection

在偽雙極系統(tǒng)中，發(fā)生單極接地故障后，換流器幾乎不向故障點提供故障電流，故障電流主要由直流電纜分布電容產(chǎn)生。從圖10（a）可以看出，當區(qū)內和區(qū)外分別發(fā)生金屬性單極接地故障、被保護電纜的長度與相鄰電纜的長度相似時，內部和外部故障條件下的差動電流是相似的。從圖10（b）可以看出，當內部故障有過渡電阻時，差動電流遠小于外部嚴重故障情況下的差動電流。

為了進一步驗證電流縱聯(lián)保護的可行性，對圖9中不同位置處的單極接地進行了仿真，t=2 s為故障發(fā)生時刻，仿真結果如圖11所示。

圖11 不同位置故障下電流縱聯(lián)保護的仿真結果Fig.11 Simulation results of current pilot protection at different fault positions

仿真結果表明在偽雙極直流系統(tǒng)發(fā)生單極接地故障時，電流縱聯(lián)保護不能可靠地區(qū)分內部和外部故障。

3.2行波方向縱聯(lián)保護算法驗證

為了驗證本文提出的行波方向縱聯(lián)保護算法的有效性，同樣令f1處經(jīng)300 Ω過渡電阻單極接地和f2處金屬性單極接地，其中f1為區(qū)內故障，f2為區(qū)外故障，仿真結果分別如圖12和圖13所示。

圖12為f1處經(jīng)300 Ω過渡電阻單極接地時的線路兩端正向行波、反向行波以及其幅值比，Y側正向行波小于反向行波，其幅值比kY小于整定值2，則保護判為正方向故障，RY取1；M側正向行波也小于反向行波，其幅值比kM也小于整定值2，則保護判為正方向故障，RM取1。線路兩端保護分別進行了故障方向判斷，接著根據(jù)式（15）進行方向縱聯(lián)，由RYRM=1可判斷出f1為區(qū)內故障。

圖12 區(qū)內故障仿真結果Fig.12 Simulation results under internal fault

圖13為f2處金屬性單極接地時的線路兩端正向行波、反向行波以及其幅值比，Y側正向行波小于反向行波，其幅值比kY為0.80，小于整定值2，則保護判為正方向故障，RY取1；M側正向行波大于反向行波，其幅值比kM為24，遠大于整定值2，則保護判為反方向故障，RM取0。線路兩端保護分別進行了故障方向判斷，接著根據(jù)式（15）進行方向縱聯(lián)，由RYRM=0可判斷出f2為區(qū)外故障。

圖13 區(qū)外故障仿真結果Fig.13 Simulation results under external fault

為了進一步驗證本保護方案的可行性，在20 kHz采樣率下，對不同位置處的故障進行了仿真，仿真結果如表3所示。

表3 行波方向縱聯(lián)保護保護動作情況Tab.3 Performance of traveling wave directional pilot protection

從表3可以看出，無論是雙極短路故障還是單極接地故障，本文提出的行波縱聯(lián)保護方案均可以可靠地區(qū)分區(qū)內、外故障，不受線路分布電容影響，且具有較強的耐受過渡電阻能力。

4 結論

本文通過對海上風電柔性直流送出線路單極接地故障的分析，發(fā)現(xiàn)電流縱聯(lián)保護不能可靠地區(qū)分區(qū)內和區(qū)外故障的問題，提出了海上風電柔性直流送出線路的行波方向縱聯(lián)保護方法，所得結論如下：

（1）海上風電柔直送出系統(tǒng)常采用偽雙極接線，當偽雙極系統(tǒng)發(fā)生單極接地故障時，換流器幾乎不向故障點提供故障電流。在故障初期，故障電流主要由故障極直流電纜分布電容產(chǎn)生，在故障穩(wěn)態(tài)階段，故障電流幾乎為零；

（2）直流線路發(fā)生區(qū)內單極接地故障時，故障初期，差動電流近似等于相鄰電纜的電容電流，尤其區(qū)內故障有過渡電阻時，差動電流遠小于外部嚴重故障情況下的差動電流，電流縱聯(lián)保護無法可靠區(qū)分區(qū)內故障和區(qū)外故障；故障穩(wěn)態(tài)階段，故障電流幾乎為零，電流縱聯(lián)保護僅僅依靠時間延時也不能可靠地判別區(qū)內故障；

（3）本文提出的行波縱聯(lián)保護方案利用線路兩端的行波方向保護分別進行故障方向判斷，不受線路分布電容的影響，能可靠地區(qū)分區(qū)內、外故障。仿真驗證也表明該原理能夠快速、可靠地識別故障，具有較強的耐受過渡電阻能力。