逆變型新能源電站對(duì)輸電線路距離保護(hù)動(dòng)作性能影響研究＊

王志飛，朱德軍，朱偉雄，司 旭，徐 炎，朱炳旭，王藝博

（中國(guó)礦業(yè)大學(xué)（北京），北京 100083）

0 引言

2021 年，“碳達(dá)峰、碳中和”被正式寫入十三屆全國(guó)人大四次會(huì)議所作的政府工作報(bào)告中?？梢娔茉磫栴}和環(huán)境污染愈演愈烈，構(gòu)建以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)已迫在眉睫。2020 年，我國(guó)電源結(jié)構(gòu)中，新能源占比約24.3%，風(fēng)電和太陽(yáng)能發(fā)電裝機(jī)容量總計(jì)5.3 億kW，預(yù)計(jì)到2030 年將達(dá)到12 億kW 以上，研究大規(guī)模新能源發(fā)電并網(wǎng)后的故障特性，具有十分重要的意義。

距離保護(hù)是電力系統(tǒng)高壓輸電線路中應(yīng)用最為廣泛的保護(hù)之一，可以快速、有選擇性地切除故障元件。距離保護(hù)的原理是計(jì)算出能反映故障距離的阻抗值，通過該阻抗值來(lái)判斷故障是發(fā)生在保護(hù)整定范圍之內(nèi)還是整定范圍之外。理想的距離繼電器，只對(duì)保護(hù)安裝處到整定范圍之內(nèi)的故障動(dòng)作，對(duì)于整定范圍之外的故障要能準(zhǔn)確判別可靠不動(dòng)[1]。因此，距離保護(hù)的正確動(dòng)作，對(duì)傳統(tǒng)電網(wǎng)穩(wěn)定、可靠與安全運(yùn)行起到至關(guān)重要的作用。

但新能源電力的接入勢(shì)必與傳統(tǒng)電力網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生沖突，繼電保護(hù)裝置易發(fā)生拒動(dòng)、誤動(dòng)，大大影響發(fā)電效率，甚至?xí)l(fā)大規(guī)模的停電事故。2020 年冬季，中國(guó)湖南、江西等地出現(xiàn)電力供需緊張的情況，引起社會(huì)各界對(duì)中國(guó)電力未來(lái)的廣泛關(guān)注[2]。因此，研究輸電線路動(dòng)作保護(hù)的穩(wěn)定性、可靠性和靈活性，十分必要。課題組以大型光伏電站為例，重點(diǎn)分析光伏電站接入對(duì)輸電線路測(cè)量阻抗的影響以及對(duì)故障分量距離保護(hù)的影響機(jī)理，將對(duì)今后新能源場(chǎng)站中距離保護(hù)具有重要指導(dǎo)意義。

1 光伏電站接入對(duì)測(cè)量阻抗影響

當(dāng)輸電線路發(fā)生故障時(shí)，光伏側(cè)動(dòng)態(tài)過程分析復(fù)雜度較高，本文采用適用于電力系統(tǒng)暫態(tài)仿真的外特性模型[3]，分析光伏電站對(duì)測(cè)量阻抗的影響。

光伏電站阻抗網(wǎng)絡(luò)模型如圖1所示，主要包括光伏發(fā)電單元、光伏側(cè)與系統(tǒng)側(cè)輸電線路及其故障時(shí)過渡電阻。

圖1 光伏電站阻抗網(wǎng)絡(luò)

基于基爾霍夫定律，當(dāng)輸電線路上發(fā)生經(jīng)過渡電阻故障時(shí)，光伏電站側(cè)安裝保護(hù)處的測(cè)量阻抗Zm可表示為：

式中，IM、IP分別為光伏電站側(cè)保護(hù)安裝處的測(cè)量電流、系統(tǒng)側(cè)提供的短路電流；Zk、Rf分別為保護(hù)安裝處到故障點(diǎn)的阻抗、過渡電阻；ΔZ為附加阻抗。

測(cè)量阻抗Zm由真實(shí)故障阻抗Zk和故障附加阻抗ΔZ兩部分共同構(gòu)成，而Zm的大小將直接決定阻抗繼電器是否能夠正確動(dòng)作[4]。

通過式（1）可以得到以下結(jié)論：若發(fā)生金屬性故障（即過渡電阻為零），測(cè)量阻抗即為線路中實(shí)際故障阻抗，距離保護(hù)能可靠動(dòng)作；若發(fā)生非金屬性故障，測(cè)量阻抗中包含附加阻抗ΔZ，這將導(dǎo)致距離保護(hù)不能可靠地測(cè)出實(shí)際故障阻抗，從而導(dǎo)致距離保護(hù)發(fā)生拒動(dòng)。

線路中的短路一般都是非金屬性的，在發(fā)生相間短路或接地短路時(shí)，短路電流從一相流到另一相或從相導(dǎo)線流入地的途徑中通過物質(zhì)，即通過電阻，包括電弧、中間物質(zhì)的電阻，相導(dǎo)線與地之間的接觸電阻，金屬桿塔的接地電阻等[5]。

下面分類討論附加阻抗ΔZ的特性。

1.1 單相接地故障時(shí)附加阻抗特性分析

以區(qū)內(nèi)A 相接地故障的復(fù)合序網(wǎng)為例，由于光伏電站呈弱饋特性，正序電流相比于零序電流較小，可忽略不計(jì)，則單相接地故障時(shí)附加阻抗ΔZ為：

式中，K為零序補(bǔ)償系數(shù)，分別為光伏側(cè)和系統(tǒng)側(cè)的零序電流。

由于光伏電站側(cè)零序阻抗為輸電線路上零序阻抗和主變壓器零序阻抗，系統(tǒng)側(cè)零序阻抗為輸電線路上零序阻抗。所以光伏電站側(cè)零序電流與系統(tǒng)側(cè)零序電流相位角相差不大，且光伏電站側(cè)電流相比于系統(tǒng)側(cè)電流較小。因此，由式（2）可知，附加阻抗ΔZ近乎為阻性且阻值較大，相當(dāng)于測(cè)量阻抗的實(shí)部增大，從而導(dǎo)致測(cè)量阻抗不能準(zhǔn)確反映實(shí)際故障阻抗，進(jìn)而導(dǎo)致基于測(cè)距原理的傳統(tǒng)三段式距離保護(hù)發(fā)生拒動(dòng)。

給出單相故障時(shí)阻抗平面圖，如圖2所示。當(dāng)測(cè)得的阻抗落在圓內(nèi)時(shí)，繼電器動(dòng)作令保護(hù)裝置發(fā)出跳閘信號(hào)。當(dāng)方向圓在相反方向失效時(shí)，繼電器不動(dòng)作[6]。其動(dòng)作方程如式（3）、式（4）所示：

幅值比較動(dòng)作方程：

角度比較動(dòng)作方程：

1.2 兩相短路故障時(shí)附加阻抗特性分析

光伏電站側(cè)BC 兩相電流之差的相位角θBCM受光伏電站接入影響，可能導(dǎo)致附加阻抗ΔZ可能表現(xiàn)為容性阻抗或感性阻抗，使得保護(hù)測(cè)量阻抗不能準(zhǔn)確測(cè)量實(shí)際故障阻抗，進(jìn)而可能導(dǎo)致傳統(tǒng)距離保護(hù)不能正確動(dòng)作。給出相間故障時(shí)阻抗平面圖，如圖3所示。

由圖3可知，若附加阻抗角為正阻抗角，附加阻抗表現(xiàn)為感性阻抗特性，此時(shí)實(shí)際測(cè)量阻抗增大，可能導(dǎo)致距離元件拒動(dòng)；若附加阻抗角為負(fù)阻抗角，附加阻抗表現(xiàn)為容性阻抗特性，此時(shí)實(shí)際測(cè)量阻抗減小，可能導(dǎo)致距離元件穩(wěn)態(tài)超越。因此，受光伏電站接入影響，附加阻抗?Z 隨著控制策略中的參數(shù)變化以及故障條件改變而變化，進(jìn)而導(dǎo)致測(cè)量阻抗不再能準(zhǔn)確反映故障距離，存在導(dǎo)致距離元件拒動(dòng)的可能性。

2 新能源場(chǎng)站接入對(duì)故障分量距離保護(hù)的影響分析

電力系統(tǒng)的故障狀態(tài)可視為故障前狀態(tài)與故障附加狀態(tài)的疊加，其中故障前狀態(tài)可以是各種非故障狀態(tài)，也可以是前一次故障狀態(tài)的繼續(xù)，而故障附加狀態(tài)則是由當(dāng)前故障所激發(fā)的。故障分量是僅在系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)出現(xiàn)、而在系統(tǒng)正常運(yùn)行及不正常運(yùn)行時(shí)不存在的電氣分量，即它隨著故障的出現(xiàn)而出現(xiàn)，隨著故障的消失而消失。所以，故障分量的存在是電力系統(tǒng)處于故障狀態(tài)的表征[7]。

隨著電力系統(tǒng)規(guī)模的不斷擴(kuò)大和電壓等級(jí)的不斷提高，對(duì)繼電保護(hù)裝置提出的要求也越來(lái)越高。近年來(lái)，反映故障分量的高速繼電保護(hù)得到了廣泛應(yīng)用，提高了繼電保護(hù)的動(dòng)作特性，有力地支持了電網(wǎng)的發(fā)展。國(guó)內(nèi)外許多文獻(xiàn)對(duì)故障分量理論進(jìn)行了詳細(xì)分析論證，課題組在此基礎(chǔ)上，介紹工頻故障分量理論[8]，分析新能源場(chǎng)站接入對(duì)故障分量距離保護(hù)的影響，有較好的實(shí)用性。

2.1 故障分量距離保護(hù)工作原理

保護(hù)安裝處的工頻故障分量電流、電壓可以分別表示為：

取工頻故障分量距離元件的工作電壓為：

可見，比較工作電壓△U與電源電動(dòng)勢(shì)幅值的大小，就能夠區(qū)分區(qū)內(nèi)與區(qū)外的故障。故障附加狀態(tài)下的電源電動(dòng)勢(shì)的大小，等于故障前短路點(diǎn)電壓的大小，即比較工作電壓與非故障狀態(tài)下短路點(diǎn)電壓U的大小，就能夠區(qū)分出區(qū)內(nèi)與區(qū)外的故障。假定故障前為空載，短路點(diǎn)電壓的大小等于保護(hù)安裝處母線電壓的大小，工頻故障分量距離元件的動(dòng)作判據(jù)可以表示為[9]：

式中，Zset為保護(hù)的整定阻抗；UM、IM表示保護(hù)安裝處電壓、電流的故障分量；表示保護(hù)末端的電壓整定值、故障點(diǎn)原始電壓。

圖4 區(qū)內(nèi)故障

圖5 區(qū)外故障

式（8）所述動(dòng)作判據(jù)可轉(zhuǎn)化阻抗形式：

新能源場(chǎng)站接入電網(wǎng)后，整定阻抗Zset并不受影響，新能源場(chǎng)站側(cè)故障電流與傳統(tǒng)故障電流差異明顯，因此，Zs和Zm特性受光伏電站接入影響也較大，導(dǎo)致Zs和Zm在幅值與相角特性上與傳統(tǒng)同步機(jī)電源存在較大差異，進(jìn)而可能導(dǎo)致故障分量距離保護(hù)發(fā)生拒動(dòng)或誤動(dòng)。

2.2 光伏電站側(cè)等效阻抗特性分析

若測(cè)量阻抗與實(shí)際故障阻抗相等，則研究光伏電站接入對(duì)故障分量距離保護(hù)影響的實(shí)質(zhì)就是研究光伏電站側(cè)阻抗特性。本節(jié)以區(qū)內(nèi)金屬性故障為例，研究Zs相角變化對(duì)故障分量距離保護(hù)動(dòng)作特性影響。圖6 分別為不同區(qū)間的Zs相角變化對(duì)故障分量距離保護(hù)動(dòng)作特性。

圖6 Zs 相角變化對(duì)故障分量距離保護(hù)動(dòng)作特性的影響

1）當(dāng)0°

2）當(dāng)180°

新能源場(chǎng)站接入將對(duì)測(cè)量阻抗產(chǎn)生影響，進(jìn)而導(dǎo)致距離保護(hù)不正確動(dòng)作，本節(jié)主要對(duì)故障分量距離保護(hù)進(jìn)行理論分析，其中可得到以下結(jié)論：

1）對(duì)于光伏電站而言，由于光伏電站側(cè)等效阻抗幅值較大，且其相角與有功參考值、無(wú)功參考值、控制目標(biāo)以及故障條件等因素均相關(guān)，若arg(Zs)介于180°和360°之間，故障分量距離保護(hù)將發(fā)生拒動(dòng)或誤動(dòng)；同時(shí)由于過渡電阻的存在，導(dǎo)致測(cè)量阻抗也受光伏電站影響，測(cè)量阻抗相較于傳統(tǒng)電網(wǎng)，其幅值和相角都發(fā)生較大變化，從而導(dǎo)致測(cè)量阻抗不能準(zhǔn)確計(jì)算出實(shí)際故障阻抗，進(jìn)而導(dǎo)致故障分量距離保護(hù)將發(fā)生拒動(dòng)或誤動(dòng)。

2）發(fā)生金屬性故障時(shí)，若故障類型為接地故障，故障分量距離保護(hù)靈敏度下降但仍能正確動(dòng)作；若故障類型為相間故障，故障分量距離保護(hù)發(fā)生拒動(dòng)。發(fā)生經(jīng)過渡電阻故障時(shí)，不論什么故障類型，故障分量距離保護(hù)都可能會(huì)發(fā)生拒動(dòng)。

3 總結(jié)

課題組以光伏電站為研究對(duì)象，研究新能源場(chǎng)站接入對(duì)輸電線路上傳統(tǒng)距離保護(hù)動(dòng)作性能的影響，揭示其影響機(jī)理。主要結(jié)論如下：

1）從理論上揭示了新能源場(chǎng)站接入對(duì)距離保護(hù)中測(cè)量阻抗的影響機(jī)理，故障電阻的存在，將在測(cè)量阻抗中產(chǎn)生附加阻抗；而由于故障電流的可控性與光伏電站的弱饋特性，將導(dǎo)致其與傳統(tǒng)電源中的特性相差較大，從而導(dǎo)致附加阻抗特性也發(fā)生較大變化。發(fā)生接地故障時(shí)，附加阻抗呈阻性且幅值較大；發(fā)生相間故障時(shí)，附加阻抗可能呈感性或容性；這些特征變化將導(dǎo)致測(cè)量阻抗不再能準(zhǔn)確計(jì)算出實(shí)際的故障電阻，從而導(dǎo)致距離保護(hù)不能正確動(dòng)作。

2）同時(shí)，課題組研究了新能源場(chǎng)站接入對(duì)故障分量距離保護(hù)適應(yīng)性問題，從理論上研究了光伏電站側(cè)等效阻抗特性變化對(duì)故障分量距離保護(hù)的影響，若其阻抗角180°