海上风电柔直换流站负序电流参考值选取及保护适应性分析

郑 涛，庄心怡，吕文轩

（新能源电力系统国家重点实验室（华北电力大学）,北京市 102206）

0 引言

海上风电可大容量、大规模开发,传输方式更灵活,是可再生能源发电的重要组成部分［1］。预计到2035 年,中国海上风电装机容量将达到130 GW,发展潜力巨大［2］。柔性直流（以下简称柔直）输电技术不存在换相失败问题,能够独立调节有功功率和无功功率,是远距离海上风电并网的首要选择［3-5］。

换流器是海上风电经柔直送出系统中的核心设备,其中模块化多电平换流器（modular multilevel converter,MMC）在柔直输电技术中有着广泛的应用［3］。目前,对MMC 的基本结构、工作原理、调制策略与稳态控制策略的研究均已较为成熟。而在MMC 交流故障穿越控制策略方面,现有研究主要集中在负序分量的控制上。文献［6］提出了负序电压的动态控制,避免了远距离非对称交流故障下非故障相的过电压现象。文献［7］基于MMC 的数学模型设计了正、负序电流解耦控制器,以抑制负序电流并对有功功率波动进行限幅控制。文献［8］提出采用风电网侧换流器抑制负序电流的方式消除滤波器处的振荡,减小直流侧电压电流波动。然而,负序电流抑制的控制策略会影响交流线路故障特征,文献［9-10］分析了负序电流抑制策略下非对称故障时交流电网的故障特征,但并未进一步考虑其对交流线路保护动作性能的影响。文献［11］初步分析了交流汇集线路两侧换流器采用负序电流抑制策略对距离保护的影响。文献［12］则指出线路两侧换流器均采取负序电流抑制策略时,以电流量为特征量的交流保护可能出现误动或拒动,因此提出在交流侧故障期间给换流设备注入一定的负序电流,但并未对其开展进一步研究。文献［13］的分析表明仅海上MMC 换流站注入负序电流时,线路两侧电流产生相角差,为距离保护、电流差动保护、零序电流保护均带来了一定误动风险,但并未进行负序电流取值与保护可靠性的定量分析。综上所述,对于海上风电交流汇集线路,线路上的工频量交流保护的可靠性与换流器负序控制参考值大小密切相关,然而目前尚未有相关研究定量分析保护动作性能与负序控制参考值的关系,缺乏对负序控制参考值选取的理论分析。

针对上述问题,本文以两侧均为电力电子换流器的海上风电交流汇集线路为研究对象,结合换流器的负序控制策略,提出基于控保协同原理的海上MMC 负序控制参考值选取原则,同时综合考虑负序电流注入对交流汇集线路非故障相电压的影响,通过调整负序电流的大小,降低了线路的过电压风险。最后,在PSCAD/EMTDC 中建立了海上风电场经柔直送出系统的电磁暂态仿真模型,大量仿真验证了所提负序控制参考值选取原则的正确性和可行性。

1 海上风电交流汇集系统及其故障等效电路

本文采用的换流器控制策略配置如图1 所示。正常运行时,直驱风机网侧换流器正序电流控制环的参考值由外环有功功率Ps与无功功率Qs控制给定［3］,负序电流控制环采用负序电流抑制策略；当海上交流汇集线路发生不对称故障时,风机网侧换流器仅采用内环电流控制,其正序电流参考值由风机输出瞬时功率反馈量计算得到［14］,负序电流参考值为0。对于海上MMC,正序电流控制环采用定电压控制策略,负序电流控制环采取负序电流抑制策略,正常运行时换流器负序电流参考值设定为0；当海上风电交流汇集线路发生不对称故障时,通过改变换流器负序电流参考值向线路中注入负序电流以控制故障电流的大小。

图1 经柔直送出的海上风电交流汇集系统结构Fig.1 Topology of offshore wind power AC transmission system through flexible DC

当海上风电交流汇集线路发生单相接地故障时,根据对称分量法,系统的序网结构如图2 所示。

图2 单相接地故障等效序网Fig.2 Equivalent sequence network of single-phase-to-ground fault

2 海上风电交流汇集线路差动保护适应性分析

海上风电交流汇集线路常用的保护包括距离保护、差动保护、零序电流保护等［18-21］,其中,差动保护可以快速区分区内外故障,是交流汇集线路保护中的重要方式,因此本文选取差动保护动作性能作为考虑负序控制参考值的参考尺度。本章以海上风电交流汇集线路上发生单相接地短路故障为例,进行典型负序控制策略下差动保护适应性分析。

对于海上交流汇集线路,比率制动式电流差动保护动作特性方程为:

当海上风电交流汇集线路发生相间短路或两相短路接地故障时,差动保护适应性分析方法与单相接地故障相似,此处不再赘述。

3 基于海上交流汇集线路差动保护性能及过电压抑制的负序控制参考值选取

如第2 章所述,海上交流汇集线路两侧换流器采取负序电流控制策略,导致线路中故障特征改变,差动电流与制动电流大小关系不定,电流差动保护存在一定拒动风险。针对此问题,本章对不同负序参考值下差动保护的动作性能进行讨论,进而得出提高差动保护可靠性的负序电流参考值取值。此外,进一步考虑了负序控制参考值对交流汇集线路过电压水平的影响,最终确定了负序参考值综合选取原则。

直驱风机运行环境复杂,换流器负序分量电流的注入会使得直驱风机换流器直流侧产生二次谐波,进而导致输出有功功率不平衡［22-24］。因此,为了保证并网风机的运行性能,直驱风机网侧换流器常采用抑制负序电流为0 的控制方式。本文仅讨论海上MMC 换流站的负序控制参考值取值。此外,对于工频量交流保护,可以认为实际注入的负序电流等于给定的参考值。

3.1 基于差动保护性能提升的负序控制参考值选取

由上述分析得到的单相接地故障下差动电流与制动电流表达式,对海上MMC 换流站注入负序电流的取值进行讨论:

其中,İ+MMC是受交流汇集线路两侧换流器故障穿越控制策略、负序控制电流参考值、线路等效参数影响的海上MMC 的正序电流故障分量,其解析表达式及推导过程详见附录B。

由于交流汇集线路不同位置发生故障时,故障点两侧的线路等效阻抗不同,致使海上MMC 提供的正序电流İ+MMC大小不尽相同,导致如式（7）所示制动电流的大小发生变化,而差动电流不变,从而影响差动保护比率制动系数K的大小。以线路中点处发生单相接地故障为例,对注入负序电流的取值与差动保护制动系数间的关系进行分析,其结果见附录B 图B1。

根据式（3）所示差动保护动作特性方程可知,当满足如式（8）所示保护动作条件时,差动保护可以正确动作。

同理,以10%的故障位置间隔依次计算得到的各类故障下能够保证差动保护正确动作的负序电流的参考值取值范围如表1 所示。

表1 不同故障位置及故障类型下保证差动保护正确动作的负序电流参考值Table 1 Reference values of negative sequence current for ensuring reliable operation of differential protection with different fault locations and fault types

根据表1 所示结果,为保证交流汇集线路中任意位置发生任何不对称故障时电流差动保护均能正确动作,负序电流的参考值取值范围为:

3.2 基于线路过电压抑制的负序控制参考值选取

对于海上风电交流汇集线路,两侧换流器的控制策略不仅影响保护性能,也会影响海上交流汇集线路的电压水平。在海上交流汇集线路两侧换流器均抑制负序电流的控制策略下,海上交流汇集线路发生单相接地故障时交流线路非故障相电压为额定电压的 3 倍［25］。本文以不对称故障时MMC 出口侧交流线路非故障相电压不超过其额定电压的120%作为抑制电压的控制目标［12］。

图1 所示海上交流汇集线路发生a 相接地故障时,MMC 出口侧交流线路非故障相电压ĖbMMC（以b相为例）可以表示为:

式中:α为序分量分解中的旋转因子。

根据式（10）所示,MMC 非故障相电压与MMC正序电压、注入负序电流、过渡电阻有关,推导过程见附录C。基于式（10）,随着MMC 注入负序电流变化,交流汇集线路中点处发生单相接地故障时交流线路非故障相电压幅值见附录C 图C1。可以有效抑制过电压水平的负序电流取值为:IM-MC∈[0.148,0.399]。

同理,对线路不同位置发生不对称故障进行计算分析,结合表1 中使差动保护正确动作的负序电流参考值取值范围,最终得到在差动保护正确动作的前提下能够有效抑制交流过电压水平的负序电流参考值综合取值范围如表2 所示。

表2 不同位置及故障类型下负序电流参考值Table 2 References of negative sequence current with different locations and fault types

根据表2 可以得到综合考虑差动保护动作性能与线路过电压水平的负序电流参考值取值范围为:

4 仿真验证

在PSCAD/EMTDC 中建立如图1 所示的海上风电场交流汇集系统,系统的详细参数如表3 所示。故障位置设置在海上交流汇集线路中点处,故障开始时间为1.5 s。测点位置在220 kV 线路两侧。以下分析中将理论计算值与仿真值进行对比,理论值从故障开始时刻（1.5 s）进行计算。

表3 仿真模型参数Table 3 Parameters of simulation model

4.1 单相接地故障

线路中点处发生单相接地故障时,令MMC 注入0.1 p.u.的负序电流,仿真结果如图3 所示。

图3 线路中点发生单相接地故障时换流器输出故障电流及其序分量Fig.3 Fault current output of converters and its sequence component when single-phase-to-ground fault occurs at middle of line

由于直驱风机网侧换流器采用将负序电流抑制为0 的控制方式,换流器短路电流中不含负序分量,正序分量可以通过附录B 中所示方法计算得到,最终故障相短路电流计算结果与仿真结果如图3（a）所示。对于海上MMC,故障后采用负序电流注入的故障穿越策略,提供了负序回路。因此,MMC 网侧电流包含正序、负序、零序分量,其正序电流的计算方式与风机网侧正序电流相同,不再赘述,最终计算结果与仿真结果如图3（b）所示,计算结果与仿真电流误差波形见附录D 图D1。计算结果与仿真结果基本一致,理论分析的计算值基本可以准确刻画换流器故障后的电流特征,其误差在5%以内,从而验证了短路电流计算的正确性。

图3（c）、（d）所 示 是 风 机 网 侧 换 流 器 与 海 上MMC 网侧序分量电流仿真结果。如前所述,风机网侧换流器网侧仅含正序、零序分量,海上MMC 网侧包含正、负、零序分量。

图4 为线路中点处发生单相接地故障时差动保护制动系数示意图。图4（a）为注入负序电流为0.1 p.u.时的制动系数,该负序电流取值不在式（9）所示范围内,差动保护拒动。根据式（9）所示范围,取注入负序电流为0.25 p.u.,此时差动保护制动系数如图4（b）所示,保护性能相较于注入0.1 p.u.的负序电流时有明显提升。

图4 不同负序参考值下线路中点处发生单相接地故障时的差动保护制动系数Fig.4 Differential protection restraint coefficients with different negative sequence references when single-phaseto-ground fault occurs at middle of line

MMC 注入0.25 p.u.的负序电流时,过渡电阻为10 Ω 与过渡电阻为50 Ω 情况下的差动保护动作性能仿真结果见附录D 图D2。根据图D2 所示结果,过渡电阻的存在并不会影响差动保护动作性能,进一步证明了本文选取负序电流范围的合理性。

单相接地故障时,MMC 注入0.25 p.u.的负序电流,电流信号中添加信噪比为30 dB 的白噪声时的差动保护制动系数波形见附录D 图D3。添加噪声前后,电流差动保护性能出现波动,但在该负序参考值下依然能够可靠动作,证明了本文所提出的负序电流参考值选取原则不受噪声的影响。

表4 所示为不同负序参考值下线路不同位置发生单相接地故障时的差动保护动作情况。由式（9）可知,当注入0.1 p.u.的负序电流时,差动保护无法正确动作；当注入0.239 p.u.和0.25 p.u.的负序电流时,差动保护均可以正确动作,再次验证了式（9）所示的负序控制参考值取值范围的正确性。

表4 不同位置及负序参考值下单相接地故障差动保护制动系数及动作情况Table 4 Differential protection restraint coefficients and operation of single-phase grounding fault with different locations and negative sequence references

图5 为海上MMC 出口侧线路电压波形,其中图5（a）为注入0.1 p.u.的负序电流时线路非故障相电压波形,故障后c 相有明显的过电压现象。根据式（11）所示范围,取注入负序电流为0.25 p.u.,此时线路非故障相电压波形如图5（b）所示,该取值可以有效降低过电压水平。

图 5 线路中点处单相接地故障时线路非故障相电压波形Fig.5 Voltage waveforms of healthy phases during single-phase-to-ground fault at middle of line

4.2 相间短路故障

线路中点处发生相间短路故障时的差动保护制动系数示意图见附录D 图D4。图D4（a）所示为注入负序电流为0.1 p.u.时的差动保护制动系数,该取值不在式（11）所示范围内,差动保护拒动。取注入负序电流参考值为0.25 p.u.时的电流差动保护制动系数,如图D4（b）所示,此时差动保护性能有明显提升。

表5 为线路不同位置发生相间短路故障时的差动保护动作性能表。根据式（9）所示取值范围,取注入负序电流为0.1 p.u.时,差动保护拒动；注入负序电流为0.239 p.u.与0.25 p.u.时,差动保护可以正确动作。

表5 不同故障位置及负序参考值下相间短路故障差动保护制动系数及动作情况Table 5 Differential protection restraint coefficients and performance of protection with different locations of phase-to-phase fault and negative sequence references

相间短路时海上MMC 换流站出口处线路非故障相电压波形见附录D 图D5,其中图D5（a）为注入负序电流为0.1 p.u.时的线路非故障相电压波形,注入0.25 p.u.的负序电流时线路非故障相电压波形如图D5（b）所示,该负序电流参考值取值有效降低了过电压水平。

4.3 两相接地故障

线路中点处发生两相接地故障时差动保护制动系数示意图见附录D 图D6。同理,注入0.25 p.u.的负序电流时线路中电流差动保护动作可靠性相较于注入0.1 p.u.的负序电流时明显提升。

表6 为不同负序参考值下线路不同位置发生两相接地故障时差动保护制动系数及动作情况。同理,根据式（9）所示取值范围,当负序电流参考值取值为0.1 p.u.时,差动保护拒动；而负序电流参考值取值为0.239 p.u. 与0.25 p.u. 时,差动保护正确动作。

表6 不同故障位置及负序参考值下两相接地故障差动保护制动系数及动作情况Table 6 Differential protection restraint coefficients and performance of protection with different locations of two-phase-to-ground fault and negative sequence references

线路中点发生两相接地故障时海上MMC 换流站出口处线路非故障相电压波形图见附录D 图D7,其中图D7（a）为注入0.1 p.u.的负序电流时线路非故障相电压波形,注入负序电流为0.25 p.u.时线路非故障相电压波形如图D7（b）所示,该负序电流参考值取值有效降低了过电压水平。

5 结语

鉴于海上风电交流汇集线路发生不对称故障时两侧换流器的控制策略对继电保护性能有重要影响,而目前尚未有研究给出负序控制电流参考值的选取依据,本文综合考虑交流线路电流差动保护可靠性与线路非故障相电压安全两个指标,提出了海上交流汇集线路负序控制参考值的选取原则,大量仿真验证了不对称故障期间本文方案在提升差动保护性能及抑制非故障相过电压方面的积极作用。主要结论如下:

1）本文分析了典型控制策略下海上交流汇集线路发生不对称故障时故障特征及电流差动保护适应性。经研究发现:当两侧换流器均采取抑制负序电流的控制策略时,线路故障特征微弱,差动保护易拒动；仅一侧换流器注入负序电流时,有效地凸显了线路故障特征,从而可以提升差动保护动作性能。

2）基于对换流器典型控制策略下海上风电交流汇集线路故障特征与差动保护适应性的分析,本文定量分析了差动保护可靠性与海上MMC 负序控制参考值间的关系,进而提出了面向差动保护性能提升兼顾交流线路过电压抑制的海上风电换流器负序控制参考值选取原则。

3）针对负序控制电流参考值的设计方法可以对多重影响因素进行分析,本文主要计及差动保护动作性能与过电压抑制的双重因素进行负序电流参考值的设计选取,而面向多种工频量保护动作性能提升及不同控制策略影响的多因素负序控制参考值选取原则仍需要进一步研究。

附录见本刊网络版（http：//www.aeps-info.com/aeps/ch/index.aspx），扫英文摘要后二维码可以阅读网络全文。