含电力电子化电源的输电线路保护研究综述

吴通华，柴济民

(1.智能电网保护和运行控制国家重点实验室，江苏 南京 211106；2.国电南瑞科技股份有限公司，江苏 南京 211106； 3.常州工学院电气与光电工程学院，江苏 常州 213032;4.河海大学能源与电气工程学院，江苏 南京 210098)

0 引言

随着电力电子器件的耐压水平、控制特性和制造工艺的不断进步，电力电子技术在电力系统中得到了飞速发展，尤其在直流输电技术、柔性电力控制技术和新能源发电系统中得到了越来越多的应用[1]30-36，基于新型电力电子器件、新型拓扑结构和新型控制方法的电力电子设备在电力系统的应用数量日趋庞大。

电力电子设备的接入使得电力系统具有更好的可控性，但同时使得电力系统的故障特性与传统故障分量有较大不同。这就给在传统电力系统当中得到广泛应用的继电保护原理带来了影响。

电力电子设备接入对输电线路继电保护影响的研究是目前继电保护研究的热点[2]，由于控制策略的多样性、电力电子技术应用的广泛性以及对这类系统建模的复杂性，目前的研究总体上并不明朗。本文从等值系统及其控制特性等方面，分析了目前的研究现状和进展，并展望了未来的研究思路。

1 等值系统

电力系统输电线路继电保护的研究一般使用图1所示的等值模型[3]。其中Source1和Source2为线路Line1继电保护研究的两端等值系统，用具有正序、负序和零序阻抗参数的电压源来表示。

图1 双端等值系统的输电线路继电保护模型

等值系统本质上是对线路两端的外部电力系统的一种等效，可以为某一特定的发电单元组成的系统，也可以是多个发电单元和输电设备的组合系统。等值系统一般用最大和最小运行方式表明其对输电线路提供短路电流的能力。

传统线路保护研究中等值系统的阻抗参数和电压在故障过程中均固定不变，但如果输电线路直联的是直流输电系统或者新能源电源，那么线路故障后由于电力电子系统的控制策略和光伏风电电源本身的波动性，图1的等值系统成为“受控特性电力电子化”的等值电源，其等效正序、负序和零序等值阻抗特性、电压甚至频率在短路过程中都有可能变化[4-7]。

目前影响等值系统的电力电子化电源和设备[1]30-31主要包括：

1)基于半控器件的LCC-HVDC直流输电系统；

2)基于全控器件的灵活直流输电系统;

3)混合直流输电系统；

4)PV光伏发电系统；

5)部分功率变换的双馈风力发电系统和全功率变换的直驱风力发电系统。

2 电力电子化系统控制结构及故障分量特征

2.1 电力电子化系统的控制结构

电力电子化系统中均存在各种换流环节，目前换流器的控制方案基本分为上层控制和下层控制两部分[8]75。

上层控制主要响应电力系统主电路的控制要求。一方面根据有功功率、无功功率、直流电压、交流电压、功率因数和频率等电气参数指标要求进行调节，另一方面也可能要响应新能源发电系统的高低电压穿越、虚拟同步发电机等运行指标要求。上层控制器通过主电路的电气分析和数学模型设置得到下层控制的相关参考量。

下层控制根据这些相关参考量来控制最终的器件和器件模块，按照器件的可控程度分为以下两种：

1)基于半控电流型器件的LCC-HVDC直流系统，由上层控制模型得到的触发角直接控制晶闸管模块；

2)基于全控电压型器件的系统，属于基于正弦脉宽调制SPWM技术或者空间矢量控制SVPWM技术的整流逆变电路。

下层控制属于对具体器件模块的导通与关断，对交流系统故障电流电压等电气量起控制响应作用的是上层控制器。当前上层控制器大多按照正常运行的状态进行设计，发生故障后上层控制器对电气量影响的研究并不透彻。

2.2 电力电子化系统故障特性

对含有电力电子化电源的线路故障特性，目前大多采用仿真分析结合部分定量的理论分析的方法[7-11]。这类电源受控制策略影响，交流线路故障后等值系统呈现受控的电气特性，对分析过程造成较大困难。

与常规等值系统不同，受控源对故障的谐波分量影响较大，尤其在如双馈风力发电机组等具有较为复杂结构的受控电源提供的短路电流中，矢量控制器使谐波分量变大。故障谐波分量的增大将对目前得到广泛应用的基于工频量的数字式继电保护算法产生影响。

由于控制方案的需要，变流器控制方案中常常存在一定的电气量限幅环节。交流侧故障后，限幅环节的快速控制作用往往使得新型电源提供的稳态短路电流相对传统等值系统更小。例如和单条VSC-HVDC输电系统相连的交流输电线路发生故障时，由于VSC-HVDC系统的控制方式使得靠近直流侧的交流继电保护的背后等值系统变成了典型的弱馈系统。该弱馈系统将影响交流线路保护的灵敏度。

双馈风力发电机组在Crowbar投切的作用下，其负序等值阻值也有可能不同于正序阻抗。故障后新能源电源提供的短路电流存在故障分量的频率偏移特性，故障电流中可能会出现35～65 Hz的故障分量，这又对基于工频量的相关继电保护提出了挑战。

3 线路继电保护

3.1 网架结构变化的影响

电网结构模式的改变主要存在于中低压的配网系统和新型电源组成的微电网系统中。大量风力电源等新能源接入后，电网中出现了很多具有支线出线的T接多端线路，改变了电网线路的拓扑结构，故障后电流的流向也有别于传统电网。大量分布式光伏的接入，使得传统配电网基于前后配合的三段式过电流保护受到助增电源的影响，前后线路的电流保护配合增强[11-14]。对配网系统和微网系统的继电保护一般都结合现有的软硬件设计和通信手段，采用多种保护原理组合的综合式保护方案来予以解决。

3.2 保护原理的影响

3.2.1 距离保护

目前广泛应用的距离保护分为两类，一是基于工频变化量的快速距离I段保护，二是基于全分量的距离保护，前者构成线路部分范围尤其是出口的快速保护，后者构成本级线路和下级线路的后备保护并且结合通道构成纵联距离保护。

工频变化量快速距离I段保护会受到保护背后系统等值阻抗的影响，因此新型电源等值阻抗的时变性会影响其保护性能。诸如单端VSC-HVDC线路呈现出的弱馈特性会降低工频距离保护的灵敏度。全分量距离保护原理上不受保护背后系统等值阻抗影响，但电力电子系统带来的故障分量谐波将对其滤波算法提出更高要求，同时新型电源的弱馈特性也将降低其耐过渡电阻能力。

值得注意的是，具有Crowbar保护的双馈风力发电机组的故障分量频偏特性对两类距离保护都会产生影响，对此问题的解决技术还有待深入研究。

3.2.2 纵联保护

纵联保护可以分为纵联方向保护、分相电流差动保护和纵联距离保护三大类。其中纵联距离保护所受影响与前述全分量距离保护基本相同。

分相电流差动保护原理简单，一般受等值系统阻抗时变性影响较小，但相关研究[15]表明，在永磁同步风机和光伏等全功率逆变型新能源场站的送出线路上，如果发生两相短路，电流差动保护在并网等值系统为弱系统时存在拒动的风险，在并网等值系统为强系统时灵敏性下降。

纵联方向保护总体有变化量方向、零序和负序方向保护三大类。变化量方向保护由于涉及保护背后等值系统的序阻抗，因此时变的等值系统正负序阻抗会对其产生影响。由于变压器的隔离，零序网络相对固定，零序方向元件不受背后等值系统的影响。

电力电子化电源的等值系统负序等值阻抗可能不与正序等值阻抗相同，并且在故障后具有时变特征，因此负序方向元件在故障后容易受到影响。相关研究表明，在VSC-HVDC出线发生不对称故障时负序元件由于VSC-HVDC系统的控制响应可能出现不正确动作情况。

3.2.3 选相元件和重合闸

常用的选相元件，如相电流差元件和序阻抗元件，其选相原理均涉及系统的正序、负序和零序网络。由于新能源电源的正负序网络的非稳定性以及部分情况下故障分量的频偏和谐波，这两类选相元件均会受到影响，相关研究[16-17]分析并提出了一些新的选相原理。

目前针对新型电源出线重合闸的研究较少，线路重合闸尤其自适应重合闸需要进一步研究。

4 研究展望

4.1 研究模型的简化

实际中的电源并非单一的某种直流输电系统或某类新能源发电单元，有可能是多种电力电子电源的组合，并且实际电源中也有可能同时含有常规同步发电机。对实际电源进行详细建模十分复杂，详细的暂态理论分析几乎更不可能。因此对实际电源进行简化是比较可行的方案。

如何进行简化，满足实用分析要求并且尽量保留控制特性是进行新型电源等值建模的主要问题，相关研究[18]也提出了简化方案。但对该问题的研究目前还不够深入，有待进一步完善。

4.2 出线继电保护原理的应对分析

继电保护系统应从两方面入手。首先，优化继电保护配置方案，例如不宜采用纵联变化量方向保护作为主保护，而应优先采用分相电流差动保护，VSC-HVDC系统出线保护采用零序方向作为后备而不采用负序方向保护。其次，继续深入研究相关继电保护原理的适应性，进行有针对性的优化或者提出新型保护方法以达到实际要求。

4.3 控制保护结合的思路

电力电子系统本身具有控制特性，一方面对故障分量带来了相对复杂的影响，另一方面从该类系统本身的快速可控性也可以很自然地看到，将电力电子的调节能力和继电保护的识别能力进行有效结合，是针对整个一次系统保护控制的良好设想，能在某些情况下达到单纯靠继电保护达不到的整体效果。

5 结语

本文从继电保护角度对含有电力电子系统的新型等值电源进行了分析，认为传统线路保护原理例如距离保护、纵联保护以及选相元件和重合闸元件均受到新型电源的故障特性影响，线路继电保护应该优化保护配置方案，开发新型保护原理和算法，结合系统控制，提高线路继电保护的适应性。

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