逆变型新能源电站对输电线路距离保护动作性能影响研究＊

王志飞，朱德军，朱伟雄，司 旭，徐 炎，朱炳旭，王艺博

（中国矿业大学（北京），北京 100083）

0 引言

2021 年，“碳达峰、碳中和”被正式写入十三届全国人大四次会议所作的政府工作报告中。可见能源问题和环境污染愈演愈烈，构建以新能源为主体的新型电力系统已迫在眉睫。2020 年，我国电源结构中，新能源占比约24.3%，风电和太阳能发电装机容量总计5.3 亿kW，预计到2030 年将达到12 亿kW 以上，研究大规模新能源发电并网后的故障特性，具有十分重要的意义。

距离保护是电力系统高压输电线路中应用最为广泛的保护之一，可以快速、有选择性地切除故障元件。距离保护的原理是计算出能反映故障距离的阻抗值，通过该阻抗值来判断故障是发生在保护整定范围之内还是整定范围之外。理想的距离继电器，只对保护安装处到整定范围之内的故障动作，对于整定范围之外的故障要能准确判别可靠不动[1]。因此，距离保护的正确动作，对传统电网稳定、可靠与安全运行起到至关重要的作用。

但新能源电力的接入势必与传统电力网络产生冲突，继电保护装置易发生拒动、误动，大大影响发电效率，甚至会引发大规模的停电事故。2020 年冬季，中国湖南、江西等地出现电力供需紧张的情况，引起社会各界对中国电力未来的广泛关注[2]。因此，研究输电线路动作保护的稳定性、可靠性和灵活性，十分必要。课题组以大型光伏电站为例，重点分析光伏电站接入对输电线路测量阻抗的影响以及对故障分量距离保护的影响机理，将对今后新能源场站中距离保护具有重要指导意义。

1 光伏电站接入对测量阻抗影响

当输电线路发生故障时，光伏侧动态过程分析复杂度较高，本文采用适用于电力系统暂态仿真的外特性模型[3]，分析光伏电站对测量阻抗的影响。

光伏电站阻抗网络模型如图1所示，主要包括光伏发电单元、光伏侧与系统侧输电线路及其故障时过渡电阻。

图1 光伏电站阻抗网络

基于基尔霍夫定律，当输电线路上发生经过渡电阻故障时，光伏电站侧安装保护处的测量阻抗Zm可表示为：

式中，IM、IP分别为光伏电站侧保护安装处的测量电流、系统侧提供的短路电流；Zk、Rf分别为保护安装处到故障点的阻抗、过渡电阻；ΔZ为附加阻抗。

测量阻抗Zm由真实故障阻抗Zk和故障附加阻抗ΔZ两部分共同构成，而Zm的大小将直接决定阻抗继电器是否能够正确动作[4]。

通过式（1）可以得到以下结论：若发生金属性故障（即过渡电阻为零），测量阻抗即为线路中实际故障阻抗，距离保护能可靠动作；若发生非金属性故障，测量阻抗中包含附加阻抗ΔZ，这将导致距离保护不能可靠地测出实际故障阻抗，从而导致距离保护发生拒动。

线路中的短路一般都是非金属性的，在发生相间短路或接地短路时，短路电流从一相流到另一相或从相导线流入地的途径中通过物质，即通过电阻，包括电弧、中间物质的电阻，相导线与地之间的接触电阻，金属杆塔的接地电阻等[5]。

下面分类讨论附加阻抗ΔZ的特性。

1.1 单相接地故障时附加阻抗特性分析

以区内A 相接地故障的复合序网为例，由于光伏电站呈弱馈特性，正序电流相比于零序电流较小，可忽略不计，则单相接地故障时附加阻抗ΔZ为：

式中，K为零序补偿系数，分别为光伏侧和系统侧的零序电流。

由于光伏电站侧零序阻抗为输电线路上零序阻抗和主变压器零序阻抗，系统侧零序阻抗为输电线路上零序阻抗。所以光伏电站侧零序电流与系统侧零序电流相位角相差不大，且光伏电站侧电流相比于系统侧电流较小。因此，由式（2）可知，附加阻抗ΔZ近乎为阻性且阻值较大，相当于测量阻抗的实部增大，从而导致测量阻抗不能准确反映实际故障阻抗，进而导致基于测距原理的传统三段式距离保护发生拒动。

给出单相故障时阻抗平面图，如图2所示。当测得的阻抗落在圆内时，继电器动作令保护装置发出跳闸信号。当方向圆在相反方向失效时，继电器不动作[6]。其动作方程如式（3）、式（4）所示：

幅值比较动作方程：

角度比较动作方程：

1.2 两相短路故障时附加阻抗特性分析

光伏电站侧BC 两相电流之差的相位角θBCM受光伏电站接入影响，可能导致附加阻抗ΔZ可能表现为容性阻抗或感性阻抗，使得保护测量阻抗不能准确测量实际故障阻抗，进而可能导致传统距离保护不能正确动作。给出相间故障时阻抗平面图，如图3所示。

由图3可知，若附加阻抗角为正阻抗角，附加阻抗表现为感性阻抗特性，此时实际测量阻抗增大，可能导致距离元件拒动；若附加阻抗角为负阻抗角，附加阻抗表现为容性阻抗特性，此时实际测量阻抗减小，可能导致距离元件稳态超越。因此，受光伏电站接入影响，附加阻抗∆Z 随着控制策略中的参数变化以及故障条件改变而变化，进而导致测量阻抗不再能准确反映故障距离，存在导致距离元件拒动的可能性。

2 新能源场站接入对故障分量距离保护的影响分析

电力系统的故障状态可视为故障前状态与故障附加状态的叠加，其中故障前状态可以是各种非故障状态，也可以是前一次故障状态的继续，而故障附加状态则是由当前故障所激发的。故障分量是仅在系统发生故障时出现、而在系统正常运行及不正常运行时不存在的电气分量，即它随着故障的出现而出现，随着故障的消失而消失。所以，故障分量的存在是电力系统处于故障状态的表征[7]。

随着电力系统规模的不断扩大和电压等级的不断提高，对继电保护装置提出的要求也越来越高。近年来，反映故障分量的高速继电保护得到了广泛应用，提高了继电保护的动作特性，有力地支持了电网的发展。国内外许多文献对故障分量理论进行了详细分析论证，课题组在此基础上，介绍工频故障分量理论[8]，分析新能源场站接入对故障分量距离保护的影响，有较好的实用性。

2.1 故障分量距离保护工作原理

保护安装处的工频故障分量电流、电压可以分别表示为：

取工频故障分量距离元件的工作电压为：

可见，比较工作电压△U与电源电动势幅值的大小，就能够区分区内与区外的故障。故障附加状态下的电源电动势的大小，等于故障前短路点电压的大小，即比较工作电压与非故障状态下短路点电压U的大小，就能够区分出区内与区外的故障。假定故障前为空载，短路点电压的大小等于保护安装处母线电压的大小，工频故障分量距离元件的动作判据可以表示为[9]：

式中，Zset为保护的整定阻抗；UM、IM表示保护安装处电压、电流的故障分量；表示保护末端的电压整定值、故障点原始电压。

图4 区内故障

图5 区外故障

式（8）所述动作判据可转化阻抗形式：

新能源场站接入电网后，整定阻抗Zset并不受影响，新能源场站侧故障电流与传统故障电流差异明显，因此，Zs和Zm特性受光伏电站接入影响也较大，导致Zs和Zm在幅值与相角特性上与传统同步机电源存在较大差异，进而可能导致故障分量距离保护发生拒动或误动。

2.2 光伏电站侧等效阻抗特性分析

若测量阻抗与实际故障阻抗相等，则研究光伏电站接入对故障分量距离保护影响的实质就是研究光伏电站侧阻抗特性。本节以区内金属性故障为例，研究Zs相角变化对故障分量距离保护动作特性影响。图6 分别为不同区间的Zs相角变化对故障分量距离保护动作特性。

图6 Zs 相角变化对故障分量距离保护动作特性的影响

1）当0°

2）当180°

新能源场站接入将对测量阻抗产生影响，进而导致距离保护不正确动作，本节主要对故障分量距离保护进行理论分析，其中可得到以下结论：

1）对于光伏电站而言，由于光伏电站侧等效阻抗幅值较大，且其相角与有功参考值、无功参考值、控制目标以及故障条件等因素均相关，若arg(Zs)介于180°和360°之间，故障分量距离保护将发生拒动或误动；同时由于过渡电阻的存在，导致测量阻抗也受光伏电站影响，测量阻抗相较于传统电网，其幅值和相角都发生较大变化，从而导致测量阻抗不能准确计算出实际故障阻抗，进而导致故障分量距离保护将发生拒动或误动。

2）发生金属性故障时，若故障类型为接地故障，故障分量距离保护灵敏度下降但仍能正确动作；若故障类型为相间故障，故障分量距离保护发生拒动。发生经过渡电阻故障时，不论什么故障类型，故障分量距离保护都可能会发生拒动。

3 总结

课题组以光伏电站为研究对象，研究新能源场站接入对输电线路上传统距离保护动作性能的影响，揭示其影响机理。主要结论如下：

1）从理论上揭示了新能源场站接入对距离保护中测量阻抗的影响机理，故障电阻的存在，将在测量阻抗中产生附加阻抗；而由于故障电流的可控性与光伏电站的弱馈特性，将导致其与传统电源中的特性相差较大，从而导致附加阻抗特性也发生较大变化。发生接地故障时，附加阻抗呈阻性且幅值较大；发生相间故障时，附加阻抗可能呈感性或容性；这些特征变化将导致测量阻抗不再能准确计算出实际的故障电阻，从而导致距离保护不能正确动作。

2）同时，课题组研究了新能源场站接入对故障分量距离保护适应性问题，从理论上研究了光伏电站侧等效阻抗特性变化对故障分量距离保护的影响，若其阻抗角180°