基于谐波信号注入的含逆变型分布式电源配电网电流差动保护

2023-12-11李海锋张正刚梁远升梁华敏

电力系统自动化 2023年22期

李海锋，张正刚，2，梁远升，梁华敏，王钢

（1.华南理工大学电力学院，广东省广州市 510641；2.深圳供电局有限公司，广东省深圳市 440304）

0 引言

随着化石能源日趋枯竭，环境恶化日益严重，新能源的开发利用已然成为“双碳”目标实现的必由之路。为此，中国电网以能源结构转型为导向，大力发展以可再生清洁能源为主体、以分布式电源（distributed generator，DG）为重要形式的新型配电系统［1-3］。以主流的逆变型分布式电源（inverter interfaced distributed generator，IIDG）为例，其输出特性有异于传统电源，受外部环境及控制策略影响存在波动性、间歇性和非线性特征，且并网后会令配电网从传统的单源辐射状网络演变为多源网络。此外，随着DG 接入容量的增加，网架结构日益复杂，T接DG 以及T 接负荷在配电网中的渗透率不断提升，则更是进一步加剧了含高比例IIDG 接入配电网故障特征的复杂性，从而对现有配电网继电保护提出了极大的挑战［4-7］。

配电网通常配置三段式电流保护作为主保护。但是，对于含DG 的配电网来说，DG 的接入显著改变了短路电流水平及其分布路径，导致电流保护的灵敏性和可靠性明显下降。为此，国内外学者以自适应算法为基础提出诸多改进方案［8-10］。文献［8］提出一种计及保护上游IIDG 实时输出影响的自适应电流保护整定方法；文献［9］针对IIDG 下游接入场景，利用报文实时调整上级线路电流Ⅱ、Ⅲ段保护定值以提高灵敏度。受DG 类型及其接入方式影响，上述自适应算法在IIDG 高比例接入场景下的定值整定相对复杂，保护性能有待验证。

纵联保护作为输电网常用主保护，具备良好的速动性和选择性，故国内外学者将纵联保护引进含IIDG 配电网。文献［11］利用两端电流幅值和线路外侧等值阻抗提出了改进的纵联保护；文献［12］提出了一种基于两端正序故障分量电流幅相特性的有源配电网纵联保护方案。但是，上述方法仅适用于IIDG 通过母线并网的运行场景。针对含T 接IIDG的配电网，文献［13］提出基于故障电流的虚拟多端电流差动保护方案，但是当区内存在T 接负荷分支时，其容易在外部故障场景下误跳闸。随着配电网网架结构日益复杂，T 接分支（DG 或负荷）的渗透率不断提升，纵联保护方案仍需进一步提高其适用性。

随着电力电子设备的广泛应用，原来依赖附加装置［14］的主动探测式故障识别方法在技术实现层面得到便利，引起广泛关注。“主动探测”思想主张控保协同，即在电网受扰情况下，由电力电子设备主动发出用于探测故障的特征电气量，保护装置基于所注入的故障电气量的差异构成判据，以实现故障判别等功能。近年来，主动探测式保护在直流系统的故障检测、定位与重合闸等领域［15-17］取得诸多研究成果。但是，在含IIDG 的交流系统中，主动探测式保护方案仍局限于孤岛微电网［18-19］、集中式光伏电站的送出线路［20-22］等特定场景，亟待进一步探索与应用。为此，本文提出了一种基于谐波信号主动注入的含高比例IIDG 配电网电流差动保护方案。

首先，本文针对基于电压源型换流器（voltage source converter，VSC）的光伏型IIDG，简述了谐波信号主动注入的实现方法及其参数选取原则；然后，在谐波信号主动注入的基础上，构建了含T 接IIDG配电网高频等效电路，分析了两端谐波信号电流在区内外故障时所呈现的故障特征，并揭示了T 接负荷分支对上述特征的影响规律；紧接着，遵循控保协同思想，提出了一种基于谐波信号主动注入的含高比例IIDG 配电网电流差动保护方案及其整定原则；最后，通过PSCAD/EMTDC 仿真软件，进一步验证所提保护方案在含高比例IIDG 及区内T 接负荷分支的配电网场景下的有效性。

1 考虑谐波信号主动注入的IIDG 控制原理

1.1 基本思路

当加入谐波信号主动注入的附加控制功能后，光伏型IIDG 的系统拓扑及其控制框架如图1 所示。图中：Cdc为直流母线滤波电容；VSC 采用正弦脉宽调制（sine pulse width modulation，SPWM），逆变出的交流电经滤波电感L和升压变压器后于公共连接点（point of common coupling，PCC）并网；uP，abc和iP，abc分别为PCC 处的电压和电流，经低通滤波（low pass filter，LPF）和派克变换后得到对应的d轴和q轴分量（uP，dq和iP，dq）；δ为锁相环提取的旋转矢量相角；Pout和Qout分别为IIDG 瞬时输出的有功功率和无功功率；Pref和Qref分别为最大功率点跟踪（maximum power point tracking，MPPT）控制器提供的有功功率和无功功率的参考值；u*P为PCC 电压标幺值；id，ref和iq，ref分别为内环电流参考值的d、q轴分量；iH，abc为PCC 处的三相谐波信号电流；uH，abc为叠加的三相谐波信号电压。

图1 计及附加控制的IIDG 系统拓扑与控制框架Fig.1 System topology and control framework of a IIDG with additional control

根据PCC 电压跌落程度，计及谐波信号注入的IIDG 控制模式及其电流输出特性如下。

1）恒功率模式

正常运行时，Pout=Pref，Qout=Qref。为便于实现PQ解耦，将d轴定向于PCC 电压旋转矢量（即uP，q=0）。此时，IIDG 电流参考值如下：

2）低电压穿越（low voltage ride-through，LVRT）模式

当PCC 电压异常跌落时，IIDG 输出额外的无功电流以提供电压支撑。在不超过器件过载能力的前提下，LVRT 期间的IIDG 电流参考值等于（假定q轴超前d轴90°）：

式中：IDG，R为额定电流；K1为电压支撑系数；K2为无功电流峰值系数；Kmax为过载电流倍数。

3）谐波信号的主动注入模式

当PCC 电压异常跌落时，IIDG 除了向外部系统输出如式（2）、式（3）所示的工频电流之外，还将注入一定含量的谐波信号电流。

对于采用VSC 的IIDG 而言，在三相电压调制波的基础上叠加谐波信号电压uH，abc，即可实现谐波信号电流iH，abc的主动注入［23］，无需安装额外的信号注入装置，改造成本较低。其中，iH，abc与uH，abc满足以下关系：

式中：ZH，abc为VSC 交流侧的等值谐波阻抗；kT为升压变压器的变比，本文取10/0.38。

当故障发生后，为了消除谐波信号电流的实际输出值与设定值之间的误差，谐波源IIDG 需要自适应地调整uH，abc的大小以适应ZH，abc的变化（例如，采用比例-积分反馈控制等）。

1.2 谐波控制参数选取原则

为了实现谐波信号电流的平稳注入，需要选取合适的谐波信号相关控制参数，例如，注入时长Td、频率mH及幅值IH，mg等。

1.2.1 注入时长

为避免谐波长时间注入对系统运行产生不利影响，谐波源IIDG 在启动谐波注入后，经过固定时长Td后自动闭锁谐波注入。其中，Td应大于区内故障时保护方案动作所需最大时长。

1.2.2 频率

谐波信号的频率直接影响网架支路等值谐波电抗的大小。随着频率的增加，以过渡电阻为主的故障支路对于谐波信号电流的分流作用愈强（即区内外谐波电流特征差异越明显）。此外，正常调制过程中IIDG 输出的谐波以及电网的背景谐波均以奇次分量为主。因此，为凸显故障特征，理论上谐波源IIDG 应注入频率较大的偶数次谐波信号电流。但是，当谐波含量一定时，谐波信号的频率越高，不仅其对器件寿命及电网运行的威胁程度越大。同时，为准确地测量谐波信号，保护装置的采样频率也需要越高。

综合考虑上述因素后，本文选择10 次谐波作为探测信号（本文采样频率取5 kHz，谐波信号可被有效测量）。

1.2.3 幅值

为了构造清晰的保护方案动作边界，理论上谐波信号电流的幅值应尽可能大。与此同时，谐波含量越大，对器件自身及电网电能质量的影响也将更大。目前，IEEE 标准对六脉冲逆变器稳态运行时输出电流的波形畸变率提出了一定要求［24］（10 倍谐波的含有率限值为1%）。但是，对于本文所提方法来说，由于谐波信号电流仅在故障后短时注入，其幅值允许适当超过IEEE 所规定的正常运行时的含有率限值，例如，可取谐波源DG 额定电流的5%～10%［20］。

综合考虑上述因素后，本文将信号幅值设置为谐波源DG 额定电流的5%。

2 含高比例IIDG 配电网高频故障特征分析

2.1 无T 接负荷场景下的谐波信号电流故障特征

随着DG 接入容量的增加，T 接IIDG 在配电网中的渗透率不断提升。如图2 所示，配电网采用中性点不接地方式，线路区段MN内部分布配置n个T 接IIDG（DG1至DGn）。当区内fin处或区外相邻fout处发生故障后，DG1开始往电网注入幅值为IH，mg、频率为mH的谐波信号电流I˙H。

图2 含T 接IIDGs 的配电网示意图Fig.2 Schematic diagram of distribution network with T-connected IIDGs

在不接地系统中，相间短路故障对系统的影响更为严重，需要保护准确识别与动作。因此，本文重点研究三相短路和两相短路这两种相间故障类型。以三相短路为例，区内外故障时配电网的高频等效电路如图3 所示。图中：和为线路MN两端保护装置所测谐波信号电流，以线路指向母线为正方向（下同）；为故障点所流经的谐波信号电流；ZM，H为上游系统在M点的等值谐波阻抗；ZN，H为下游负荷分支在N点的等值谐波阻抗；Rf为过渡电阻。为了直观地揭示谐波信号电流的特征规律，同时考虑到配电网线路长度通常较短，故在特征分析环节忽略线路阻抗。对于采用图1 所示拓扑结构的非谐波源IIDG 而言，其输出特性呈现工频电流源特征，在高频等效电路近似断路。

图3 区内外故障场景下的高频等效电路Fig.3 High-frequency equivalent circuit with internal or external faults

式中：kin和kout为反映线路两端谐波信号电流矢量和大小的比值系数，下标in 和out 分别对应区内和区外故障。

由图3 可知，区外故障时，由于区内没有分流，kout将恒等于1。而区内故障时，由并联支路分流原理可得kin计算公式如下：

由于在高频网络中，ZM，H和ZN，H均位于第1 象限（前者呈强感性），ZM，HZN，H和Rf(ZM，H+ZN，H)之间的相位差小于90°，因此kin值始终小于1，且当发生金属性或Rf较小的相间故障时，kin将远小于1，即区内和区外故障时比值系数将具有以下特点：

2.2 T 接负荷对故障特征的影响

以图4 为例进行分析，此时线路MN区段内除了T 接IIDG 之外，还存在T 接负荷分支。图中：I˙T，H为T 接负荷分支所流经的谐波信号电流；ZT，H为T接负荷分支等值谐波阻抗，由配电变压器等值高频电抗及负荷高频阻抗两部分组成。

图4 计及T 接负荷的配电网故障高频等效电路Fig.4 High-frequency fault equivalent circuit of distribution network with T-connected load

计及T 接负荷分支对谐波信号电流的分流作用后，区内和区外故障时I˙M，H和I˙N，H满足以下关系：

由式（9）可知，当网架阻抗参数一定时，k始终大于k，且其差值受Rf与各分支阻抗之间的相对大小影响。在此基础上，进一步定量分析T 接负荷及过渡电阻对比值系数的影响。

假定谐波频率fH取500 Hz，ZM，H=j20 Ω，ZN，H=（30+j30）Ω。当T 接负荷功率SLT在0～2 MV·A 范围内变化时（功率因数取0.9），不同Rf取值下的和k变化情况如图5 所示。

图5 T 接负荷及过渡电阻对比值系数的影响Fig.5 Influence of T-connected load and transition resistance on ratio coefficient

由图5 可知，当Rf一定时，随着SLT的不断增大，k和k均有所下降；当SLT一定时，与k之间的差值随着Rf的提升有所减小。因此，在考虑一定的过渡电阻耐受能力及区内T 接负荷功率的前提下，可以选取出满足＜且k＞k要求的比值系数分界值k用于区内外故障识别（如图5 蓝色虚线所示）。

对于继电保护而言，要优先确保区外故障“不误动”的选择性。为此，k应以区外故障时k的理论最小值kout，min作为参考，通常需要考虑以下因素：

1）T 接负荷按最大功率运行，其余负荷按最小功率运行，即ZT，H取最小值，ZM，H和ZN，H取最大值；

2）由对称分量法可知，当Rf一定时，故障点所流经的两相短路电流小于三相短路电流。因此，kTout最小值需以两相短路结果为基准；

3）为了精准地求解kout，min，在考虑故障位置和T接负荷接入位置等因素时还需要计及线路阻抗参数的影响。

2.3 相邻区段的谐波信号电流故障特征

假设C端保护装置所测谐波信号电流为。对于相邻区段NC而言，谐波源DG1所注入的谐波信号电流I˙H具有穿越性质。因此，区段NC两端测得的谐波信号电流之和在区内/外故障时呈现不同的特征：

综上所述，理论上利用本区段所注入的谐波信号电流即可构建相邻区段的电流差动保护判据以实现故障判别，即无需额外设置另一个谐波源DG。限于篇幅等原因，本文后续主要探讨谐波源DG 所在区段MN的保护方案。

3 保护方案

3.1 信号注入启动判据

为充分发挥控保协同的优势，本文根据IIDG 利用低压特征启动故障穿越的控制特点，进而构造出适用谐波信号主动注入的启动判据：

式中：uP，L为谐波源IIDG 的PCC 线电压；ρ为阈值，为确保一定裕度，本文取额定电压的90%，实际ρ可根据灵敏性要求而适当调整。当uP.L满足启动判据后，谐波源IIDG 切换为谐波信号主动注入模式。

3.2 故障识别判据

由于所提方法基于稳态，考虑到光伏并网系统的响应速度，本文设置一定的延时约束以确保区段MN两端保护装置在测量三相电流时谐波源IIDG已经实现谐波信号电流的定量输出。当傅里叶分解后的两端谐波信号电流满足以下判据时，即可判别为区内故障：

式中：IK，H为测量电流；IK，H，set为整定电流；tset为启动延时，本文取40 ms，实际可根据逆变器的响应速度自适应调整；I˙M，H，y、I˙N，H，y分别为M、N两端y相谐波测量电流，y∈{a，b，c}表示a 相、b 相、c 相；ΔIunb，H为电流互感器传变误差所导致的最大不平衡谐波信号电流；Ker为电流互感器的比误差，本文取10%，实际可根据保护电流互感器的准确级灵活调整；KSS为电流互感器的同型系数，本文取0.5。

3.3 保护方案动作流程与动作时序

本文所提保护方案的动作流程及其动作时序如附录A 图A1 和图A2 所示。由于M、N两端所流经的电流以工频分量为主，在使用全波傅里叶算法提取谐波分量时，频谱分解的时间窗长度取1 个工频周期（20 ms）。此外，为确保一定的可靠裕度，谐波源IIDG 的注入时长Td应大于保护方案动作所需最大时长，本文取80 ms。

4 算例验证

在PSCAD/EMTDC 仿真平台中搭建含高比例IIDG 配电网系统仿真模型，如图6 所示。其中，保护区段MN内部分布配置3 个T 接IIDG（DG1至DG3，额定容量分别为4、1.5 和1 MW），选取容量最大的DG1作为谐波源，在故障后主动注入幅值IH，mg为16 A（约为5%IDG，R）、频率fH为500 Hz 的谐波信号电流。需要指出的是，在工程应用中，当满足谐波注入条件的DG 有多个时，可以优先选择容量最大的DG 作为谐波源，但这不是必要条件。

图6 含高比例IIDG 配电网仿真模型Fig.6 Simulation model of distribution network with high penetration of IIDG

配电网电压等级为10 kV，中性点采取不接地运行方式。上游系统在A点的等值谐波阻抗为j5 Ω，主变压器容量取20 MV·A。线路的等值谐波阻抗及其对地电容参数分别为（0.13+j3.4）Ω/km 和0.009 6 μF/km。负荷分支LM、LN、LC和LT（T 接）的额定功率分别为2、3、3 和2 MV·A，功率因数取0.9。DG 控制参数K1、K2和Kmax分别取1.5、1.05 和1.2。DG 的渗透率是反映其接入比例的重要标志，通常定义为配电系统中DG 容量与负荷容量相除后得到的百分值［25］，本文为65%。k1、k2和k3为故障点。

保护区段MN两端的保护装置具有数据测量与通信功能，仿真采样频率为5 kHz。通过导出三相电流仿真数据的方式，在MATLAB 平台实现频谱分解及保护算法性能的验证。遵循2.2 节和3.2 节的整定原则，动作电流IK，H，set取10.32 A（kout，min=0.695）。

4.1 谐波信号电流注入效果

假设并网点电压于10 ms 发生故障跌落，谐波源IIDG 切换为谐波信号主动注入模式。此时，PCC处流经的（正序）谐波信号电流幅值如附录A 图A3所示。在控制器的作用下（暂态过程约40 ms），谐波源IIDG 向外部电网稳定注入一定含量的10 次谐波信号电流，电流实际值与设定值之间的相对误差很小，具有较高的控制精度。

4.2 区内故障保护动作特性验证

假设保护区段MN内部k1点发生Rf=0～40 Ω的相间短路故障，所提保护方案的动作结果如表1所示。表中：“T”表示“区内故障，保护动作”，“ABC”和“BC”分别对应“三相短路”和“两相短路”，下文同。

表1 区内相间故障下的测试结果Table 1 Test results with internal phase-to-phase faults

以Rf=10 Ω 的BC 相短路为例，的各相仿真结果（故障时刻为0.2 s，下同）如附录A 图A4 所示。

由表1 和附录A 图A4 的测试结果可知，当区内发生金属性或经过渡电阻的各类相间短路故障时，保护装置所测量的IK，H小于IK，H，set，所提保护方案能够可靠跳闸。

4.3 区外故障保护动作特性验证

假设保护区段外部上游k2点或下游k3点发生Rf=0～40 Ω 的相间短路故障，所提保护方案的动作结果如表2 所示。表中：“NT”表示“区外故障，保护返回”，下文同。以k3点发生Rf=10 Ω 的两相短路故障为例，的各相仿真结果如附录A 图A5所示。由表2 和图A5 的测试结果可知，当区外发生金属性或经过渡电阻的各类相间短路故障时，保护装置所测量的IK，H大于IK，H，set，所提保护方案能够实现不误动，即实现故障的选择性切除。