基于電流相角分布的光伏直流送出線保護(hù)方案

劉 源，樊艷芳，馬 健，張?chǎng)斡睿S名揚(yáng)

(新疆大學(xué)電氣工程學(xué)院，烏魯木齊 830047)

近年來，中國光伏發(fā)電規(guī)模發(fā)展迅速，截至2019年底，光伏裝機(jī)總?cè)萘窟_(dá)到20 468萬kW[1-2]。為減少光伏電站在常規(guī)交流并網(wǎng)過程中的損耗，以及低頻振蕩等問題[3]，光伏直流升壓匯集接入系統(tǒng)的并網(wǎng)方式應(yīng)運(yùn)而生。由于直流系統(tǒng)具有強(qiáng)非線性[4]，且在直流送出線上發(fā)生故障后，電氣故障特征消失快，給準(zhǔn)確識(shí)別區(qū)內(nèi)外故障帶來了很大挑戰(zhàn)。而在交流系統(tǒng)中的故障特征與直流系統(tǒng)中有著明顯差異，各種工頻量保護(hù)在直流線路保護(hù)中不能直接應(yīng)用。有效快速地識(shí)別直流送出線區(qū)內(nèi)外故障，可以保障光伏發(fā)電并網(wǎng)的安全性和可靠性。

針對(duì)如何快速識(shí)別直流線路故障的問題，中外眾多學(xué)者也紛紛展開了研究。目前，按照采集電氣信號(hào)的方式，將直流送出線的區(qū)內(nèi)外辨識(shí)方法主要?dú)w為3類：信號(hào)注入式保護(hù)、單端電氣量保護(hù)和雙端電氣量保護(hù)。在直流線路上，由于短路故障使得兩端電力電子換流器快速閉鎖，提取故障信息難度較大，有學(xué)者就此問題提出信號(hào)注入式保護(hù)方式并將其應(yīng)用于直流線路[5]。文獻(xiàn)[6]提出了直流線路故障時(shí)利用健全側(cè)模塊化多電平換流器(modular multilevel converter，MMC)注入矩形波信號(hào)，通過檢測(cè)矩形波上升沿第一個(gè)反行波來檢測(cè)故障類型，但矩形波信號(hào)選型比較困難。文獻(xiàn)[7]提出在直流電網(wǎng)故障時(shí)向各個(gè)換流器注入頻率100 Hz、幅值為0.1倍額定電壓的正弦信號(hào)，通過引入斯皮爾曼相關(guān)性構(gòu)造電容模型相關(guān)性判據(jù)，以此來判斷區(qū)內(nèi)外故障，但注入信號(hào)可能會(huì)影響非故障直流線路的運(yùn)行特性。基于單端電氣量保護(hù)主要是利用線路故障時(shí)首端或末端的電壓、電流等電氣量突變構(gòu)造保護(hù)，只需要單端采樣，在本地進(jìn)行判斷后作用于斷路器。文獻(xiàn)[8]利用線路終端電氣量通過小波變換模極大值法構(gòu)造保護(hù)判據(jù)。文獻(xiàn)[9]指出直流線路正負(fù)極間存在耦合關(guān)系，利用故障后單端兩極的電壓電流構(gòu)造樣本標(biāo)準(zhǔn)差作為保護(hù)算法的依據(jù)。基于單端的電氣量保護(hù)雖然在信息傳遞上比較可靠且也滿足速動(dòng)性要求，但單端電氣量的采樣頻率普遍高于直流工程實(shí)際采用的10 kHz，目前正處于探索階段。采用行波或暫態(tài)量構(gòu)造的雙端電氣量縱聯(lián)保護(hù)在直流線路上具有較高的可靠性，且在目前的工程采樣頻率下可以實(shí)現(xiàn)。文獻(xiàn)[10]使用故障后的時(shí)變暫態(tài)信號(hào)構(gòu)造相關(guān)性檢驗(yàn)的算法，但該算法使用較多的電氣量進(jìn)行統(tǒng)一描述，存在誤動(dòng)的風(fēng)險(xiǎn)。文獻(xiàn)[11]指出在長距離直流線路中線路會(huì)因色散丟失故障信息，利用雙端行波來進(jìn)行故障定位，可以達(dá)到區(qū)分故障類型的目的。目前行波保護(hù)多應(yīng)用于故障定位，但在短線路傳輸中不適用。

基于上述分析，針對(duì)短距離光伏直流輸送線路的快速保護(hù)方案亟待研究。現(xiàn)以1 MW/±10 kV集中型光伏直流升壓外送系統(tǒng)為背景展開研究，提出一種適用于其直流送出線的，且基于故障后電流極性變化的相角分布保護(hù)方案。該方案只利用短時(shí)窗的暫態(tài)電流極性變化構(gòu)造判據(jù)，使用數(shù)據(jù)量少，能夠可靠快速地辨別區(qū)內(nèi)外故障，保證光伏直流并網(wǎng)系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

1 直流送出線電流極性變化分析

以集中型光伏直流升壓外送系統(tǒng)為研究背景，如圖1所示，光伏陣列通過DC/DC變換器升壓后經(jīng)雙極直流線路送出，在終端通過MMC逆變升壓后接入高壓交流系統(tǒng)[12]。由于直流線路發(fā)生單極故障表現(xiàn)為高阻抗接地，不會(huì)引起嚴(yán)重過流，且系統(tǒng)可以帶故障運(yùn)行一段時(shí)間，故主要針對(duì)嚴(yán)重的雙極故障展開研究。

圖1中，DC/DC升壓變換器的單模塊采用有源箝位Boost全橋升壓變換器(boost full bridge isolated converter, BFBIC)，其中S0～S4為IGBT開關(guān)管。MMC換流器采用半橋子模塊構(gòu)成，A、B分別為首端、末端母線，M、N分別為光伏直流送出線采樣處，D1～D4為二極管，將圖中的送出線路分為F1、F2、F33個(gè)區(qū)域，規(guī)定電流正方向?yàn)槟妇€流向線路，令首端M和末端N的參考電流分別為IM、IN。考慮線路發(fā)生不同故障時(shí)，在暫態(tài)過程中，以正極線路為例，直流送出線在不同運(yùn)行工況時(shí)的電流流向示意圖如圖2所示，其中Ire、Ire1、Ire2、Ire2’、Ire3分別為不同故障時(shí)實(shí)際電流流向。

圖1 光伏直流升壓外送系統(tǒng)

圖2 直流送出線電流流向示意圖

根據(jù)電流參考方向與實(shí)際方向的關(guān)系可得：

(1)正常運(yùn)行時(shí)，M端極性為正，N端極性為負(fù)。

(2)F1區(qū)故障時(shí)，兩端極性突變，M端極性由正變?yōu)樨?fù)，N端極性由負(fù)變?yōu)檎?/p>

(3)F2區(qū)故障時(shí)，單端極性突變，M端極性仍為正，N端極性由負(fù)變?yōu)檎?/p>

(4)F3區(qū)故障時(shí)，兩端極性不變，M端極性為正，N端極性為負(fù)。

分析可知，當(dāng)正極線路正常運(yùn)行和發(fā)生區(qū)外故障時(shí)，線路上電流為穿越電流，則M、N兩端為相反極性電流；當(dāng)正極性線路發(fā)生區(qū)內(nèi)故障時(shí)，M、N兩端為相同極性電流。負(fù)極性線路分析方法相同，因此正極與負(fù)極線路的電流極性特征如表1所示。

表1 故障前后送出線路電流極性特征

理想情況下，當(dāng)送出線路正常運(yùn)行或發(fā)生區(qū)外故障時(shí)，兩端電流采樣值極性相異；當(dāng)送出線發(fā)生區(qū)內(nèi)故障時(shí)，兩端電流采樣值極性相同。可以通過比較兩端采樣值極性的差異區(qū)分區(qū)內(nèi)外故障，并以此構(gòu)造直流送出線保護(hù)判據(jù)。

2 構(gòu)造保護(hù)方案

由第1節(jié)分析可知，理想情況下，直接比對(duì)兩端單個(gè)電流采樣點(diǎn)極性異同即可區(qū)分區(qū)內(nèi)外故障。但考慮到實(shí)際運(yùn)行過程中出現(xiàn)通信延時(shí)，故障初期單個(gè)采樣點(diǎn)極性對(duì)比會(huì)使保護(hù)誤動(dòng)。令最大通信延時(shí)為Δt，當(dāng)發(fā)生區(qū)外故障(F1區(qū))時(shí)存在極性突變，若考慮通信延時(shí)的影響，可得到其故障電流波形如圖3所示。在發(fā)生區(qū)外故障初期Δt時(shí)間內(nèi)，區(qū)外故障兩端電流極性相同，存在誤動(dòng)作風(fēng)險(xiǎn)。為此，引入相角分布對(duì)故障電流極性變化進(jìn)行描述，以求保護(hù)判據(jù)能夠可靠判別故障類型。

圖3 F1區(qū)外故障兩端最大延時(shí)結(jié)果

2.1 相角分布引入

在系統(tǒng)運(yùn)行中，故障發(fā)生具有不確定性且過程短暫，引入相角對(duì)故障前后采樣值的變化進(jìn)行統(tǒng)一描述，并以此進(jìn)行區(qū)內(nèi)外故障判別，其統(tǒng)一描述模型為

(1)

式(1)中：IM(t)、IN(t)分別為直流送出線的首端、末端電流采樣值；k(t)為兩端電流采樣值的比值，利用反正切對(duì)兩端電流變化的比值進(jìn)行描述，即可得到θ(t)的取值范圍在(-π/2,π/2)。在直流送出線正常運(yùn)行和發(fā)生區(qū)外故障時(shí)，兩端電流極性相反，即k(t)<0，故相角分布在(-π/2,0)；當(dāng)發(fā)生區(qū)內(nèi)故障時(shí)，兩端電流極性相同，即k(t)>0，故相角分布在(0,π/2)，如圖4所示。

圖4 區(qū)內(nèi)外故障相角分布取值范圍

在進(jìn)行相位的轉(zhuǎn)換時(shí)，需要對(duì)其邊界問題進(jìn)行分析，以防止保護(hù)拒動(dòng)或誤動(dòng)。分析如下。

(1)若θ(t)=±π/2，則式(1)中存在k(t)→∞，但在實(shí)際雙極故障時(shí)，兩端電流幅值呈現(xiàn)突增或驟降趨勢(shì)，且為有限值，故θ(t)≠±π/2。

(2)若θ(t)=0，則式(1)中存在k(t)=0，但在實(shí)際工程中10 kHz采樣頻率下，最小采樣時(shí)間為0.1 ms，電流過零數(shù)據(jù)為幾十微秒，電流互感器很難采集到過零數(shù)據(jù)，可視為不存在IM(t)=0；故障后兩端電流為有限值，不存在IN(t)=∞，故θ(t)≠0。

綜上分析可知，該相角分布不存在動(dòng)作邊界問題，且區(qū)外、區(qū)內(nèi)故障后電流采樣值的相角都分別分布在(-π/2,0)或(0,π/2)。

2.2 構(gòu)造保護(hù)判據(jù)

由于電力電子器件耐壓性能較弱，在檢測(cè)到發(fā)生故障后會(huì)快速閉鎖。對(duì)此，文獻(xiàn)[13]指出直流線路故障要在6 ms內(nèi)清除且保護(hù)動(dòng)作時(shí)間不能大于3 ms，這時(shí)仍處于故障暫態(tài)初始階段。為保證快速判斷出故障類型，取1 ms數(shù)據(jù)窗，且采用滑窗計(jì)算保護(hù)判斷值。

令采樣頻率為工程實(shí)際的10 kHz，則1 ms內(nèi)對(duì)應(yīng)10個(gè)采樣數(shù)據(jù)。光伏直流送出線發(fā)生區(qū)內(nèi)故障時(shí)與系統(tǒng)正常運(yùn)行和區(qū)外故障下的相角分布不同，利用Sinner表示區(qū)內(nèi)故障的相角分布點(diǎn)在一個(gè)數(shù)據(jù)窗中所占比例，表達(dá)式為

(2)

式(2)中：Nt為一個(gè)數(shù)據(jù)窗中相角分布點(diǎn)在(0,π/2)區(qū)間的個(gè)數(shù)；NT為一個(gè)數(shù)據(jù)窗中計(jì)算相角分布點(diǎn)總個(gè)數(shù)。理想情況發(fā)生區(qū)內(nèi)故障存在關(guān)系Sinner>0(Sset)，由于故障初期出現(xiàn)數(shù)據(jù)不同步可能會(huì)使得保護(hù)誤動(dòng)，需要設(shè)置合理整定值Sset。在直流送出線上，普遍采用光纖通信，由于傳輸距離較短，因而數(shù)據(jù)傳輸過程中通信延時(shí)會(huì)比較短，通常20 km內(nèi)線路的延時(shí)不到0.3 ms[14]，取Δt=0.3 ms，在區(qū)外故障時(shí)則可能存在3個(gè)誤判為區(qū)內(nèi)的相角分布點(diǎn)。為防止保護(hù)判據(jù)誤動(dòng)作同時(shí)兼顧其速動(dòng)性，取Sset=0.4。在考慮CT測(cè)量誤差不超過10%的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和外界干擾等因素下，引入可靠系數(shù)Ks，取Ks=1.25,則可得Sset=0.4×1.25=0.5。因此，整體保護(hù)方案為：以di/dt或du/dt的突增為啟動(dòng)判據(jù)，當(dāng)判據(jù)啟動(dòng)后，若存在Sinner>0.5，則判定為區(qū)內(nèi)故障，否則為區(qū)外故障，其保護(hù)方案流程如圖5所示。

圖5 保護(hù)方案流程圖

3 仿真驗(yàn)證

為驗(yàn)證所提判據(jù)的有效性，在MATLAB/Simulink中搭建圖1所示的 1 MW/±30 kV集中型光伏直流升壓外送系統(tǒng)，其中光伏陣列中電池串聯(lián)數(shù)目為900，并聯(lián)數(shù)目為700。整個(gè)系統(tǒng)的主要仿真參數(shù)如表2所示。設(shè)置雙極故障發(fā)生時(shí)間為0.3 s，采樣頻率為10 kHz，數(shù)據(jù)窗長為1 ms。對(duì)送出線區(qū)內(nèi)和區(qū)外故障分別進(jìn)行仿真驗(yàn)證。

表2 系統(tǒng)主要仿真參數(shù)

3.1 區(qū)內(nèi)故障

針對(duì)直流送出線MN段，分別設(shè)置距M側(cè)0、5、10 km雙極故障來驗(yàn)證保護(hù)原理。其中0和10 km是為了驗(yàn)證兩端出口邊界處保護(hù)原理的適應(yīng)性。以正極線輸電線路為例，送出線路距M側(cè)5 km處的雙極短路兩端波形分析和原理實(shí)現(xiàn)過程如圖6所示，其余情況以表格展示。

圖6(a)中，在故障發(fā)生后，電流幅值呈現(xiàn)突變狀態(tài)；圖6(b)中，在0.300 6 s時(shí)已滿足判據(jù)Sinner>0.5，辨別為區(qū)內(nèi)故障。

圖6 MN線路5 km處區(qū)內(nèi)雙極故障電流和保護(hù)實(shí)現(xiàn)結(jié)果

表3為距M側(cè)0和10 km處故障仿真結(jié)果。由在于仿真模型正負(fù)極性線路參數(shù)一致，且雙極發(fā)生同一故障點(diǎn)位置相同，故能得到相同的判別參數(shù)，因此只給出正極線線路仿真計(jì)算結(jié)果。仿真結(jié)果表明，保護(hù)判據(jù)在兩端區(qū)內(nèi)出口處也能準(zhǔn)確判別區(qū)內(nèi)故障。故表明該保護(hù)方案能快速準(zhǔn)確判別出區(qū)內(nèi)故障。

表3 0和10 km處雙極故障判別參數(shù)

在上述分析中，在送出線距M側(cè)0、5、10 km處設(shè)置故障得到了相同的判別參數(shù)。在不考慮其他因素影響，分析其原因?yàn)椴蓸酉到y(tǒng)每次采集的數(shù)據(jù)時(shí)刻相同，所以保護(hù)判據(jù)在判斷Sinner的時(shí)刻也相同。如圖7所示，在不考慮其他因素情況下，改變故障點(diǎn)位置，只能改變電流幅值，不會(huì)改變極性，因此對(duì)保護(hù)原理不會(huì)產(chǎn)生影響。

圖7 不同故障點(diǎn)對(duì)應(yīng)的電流波形

3.2 區(qū)外故障

在圖1中F1區(qū)和F3區(qū)A、B母線處分別設(shè)置區(qū)外雙極故障，以正極性線路為例，仿真結(jié)果如圖8所示。故障后，電流幅值突變，由于光伏直流送出線兩端測(cè)點(diǎn)M、N在發(fā)生區(qū)外故障時(shí)處于同一線路上，因此線路兩端故障電流幅值相等，方向相反，進(jìn)而得到F1區(qū)和F3區(qū)母線處故障保護(hù)實(shí)現(xiàn)結(jié)果一致。由圖8(c)可知，線路故障后一直存在Sinner=0，不滿足動(dòng)作條件，故保護(hù)判據(jù)能夠準(zhǔn)確識(shí)別區(qū)外故障。

圖8 M、N側(cè)區(qū)外故障仿真結(jié)果

3.3 通信延時(shí)對(duì)判據(jù)的影響

考慮采樣數(shù)據(jù)傳輸受通信延時(shí)的影響，令最大通信延時(shí)為0.3 ms，對(duì)判據(jù)的可靠性進(jìn)行仿真驗(yàn)證。區(qū)外取F1區(qū)和F3區(qū)A、B母線處故障為例，區(qū)內(nèi)取正極線路距M側(cè)0、5、10 km處故障為例，驗(yàn)證結(jié)果如表4所示。

由表4可看出，通信最大延時(shí)造成兩端數(shù)據(jù)不同步時(shí)，判據(jù)也能正確識(shí)別區(qū)內(nèi)外故障，故保護(hù)判據(jù)在一定程度上不受通信延時(shí)的影響。

表4 延時(shí)0.3 ms保護(hù)算法實(shí)現(xiàn)結(jié)果

3.4 外界干擾對(duì)判據(jù)的影響

考慮到外界噪聲和互感器采集信號(hào)時(shí)的隨機(jī)誤差會(huì)使得電流波形產(chǎn)生畸變，采用高斯白噪聲來模擬干擾進(jìn)行仿真驗(yàn)證，其信噪比為30 dB[7]。以正極線路為例，同3.3節(jié)，設(shè)定不同位置的區(qū)內(nèi)外故障進(jìn)行仿真驗(yàn)證，驗(yàn)證結(jié)果如表5所示。

表5 外界干擾下保護(hù)算法實(shí)現(xiàn)結(jié)果

由表5可以看出，保護(hù)判據(jù)在信噪比為30 dB的干擾下能可靠動(dòng)作，具有較好的抗外界干擾能力。

3.5 過渡電阻對(duì)判據(jù)的影響

為驗(yàn)證保護(hù)判據(jù)耐受過渡電阻的能力，分別設(shè)置雙極故障過渡電阻為20、50、100 Ω進(jìn)行仿真驗(yàn)證。以正極線路為例，由于區(qū)內(nèi)故障不同故障點(diǎn)在相同采樣時(shí)刻不會(huì)發(fā)生極性變化，故選取故障位置為F1區(qū)母線處、F2區(qū)距M側(cè)5 km和F3區(qū)母線處為例，其結(jié)果如表6所示。

表6 保護(hù)判據(jù)在不同過渡電阻下的仿真結(jié)果

由表6可看出，保護(hù)判據(jù)在過渡電阻20、50、100 Ω的影響下，保護(hù)也能快速正確動(dòng)作，具有較好的抗過渡電阻能力。

4 結(jié)論

以光伏直流升壓外送系統(tǒng)為研究背景，通過分析光伏直流送出線發(fā)生區(qū)內(nèi)外故障時(shí)的電流特征，提出一種采用相角分布以突出送出線兩端電流極性變化特征的保護(hù)判據(jù)的新方案，并利用MATLAB/Simulink搭建電壓等級(jí)為±30 kV的光伏直流外送系統(tǒng)仿真模型，得到以下結(jié)論。

(1)線路正常運(yùn)行和發(fā)生區(qū)外故障時(shí)，兩端電流采樣點(diǎn)極性互異；發(fā)生區(qū)內(nèi)故障時(shí)，兩端電流采樣點(diǎn)極性相同，該保護(hù)方案利用反正切函數(shù)對(duì)兩端電流進(jìn)行統(tǒng)一描述，算法簡單，且保護(hù)動(dòng)作區(qū)域不存在邊界問題。

(2)該保護(hù)方案只需要1 ms的數(shù)據(jù)窗，且只利用兩端電流極性進(jìn)行判斷，對(duì)電流幅值精度要求低，計(jì)算量小，有很好的速動(dòng)性。

(3)通過仿真驗(yàn)證，該保護(hù)方案能夠快速判別出區(qū)內(nèi)外故障，具有較好的抗干擾和抗過渡電阻能力，且在一定程度上，不受通信延時(shí)的影響，可靠性高，對(duì)后續(xù)光伏直流并網(wǎng)線路繼電保護(hù)有一定參考價(jià)值。