海上风电低频输电系统快速母线保护

宋国兵，高校平，张晨浩，窦竟铭，王秀丽，宁联辉

（1.西安交通大学电气工程学院，陕西省 西安市 710049；2.中国电力科学研究院有限公司，北京市 100192）

0 引言

“双碳”目标背景下，新能源开发和利用技术研究迎来了新的发展热潮。随着陆上风电开发趋于饱和，海上风电成为新能源的重要发展方向，低频输电系统（LFTS）已成为极具潜力的风电并网方式之一［1］。大规模海上风电经母线汇集集中送出，母线连接变压器与线路，承担着电能汇集和分配的任务，母线故障波及范围广，快速切除母线故障意义重大。但换流器注入故障点电流受限流能力和控制方式影响［2］，需要讨论现有母线保护的适应性问题并研究新的母线保护方案和原理。

母线电流差动保护原理简单可靠、应用最广，但抗电流互感器（CT）饱和能力弱，且在3/2 断路器接线的母线发生区内故障时可能存在部分故障电流流出母线的情况。此时，带制动特性的差动保护灵敏度有所降低［3］。为了改进母线保护的动作性能，国内外提出的保护原理主要分为基于综合阻抗［4-6］与暂态量［7-10］两类。文献［4-6］分别着眼于故障全量、相故障分量与序故障分量综合阻抗，通过其模值与相角差异判别区内、外故障，且具有一定的抗CT 饱和能力。上述基于工频量的保护应用于新型电力系统中，会因故障非整数次谐波含量较高导致相量提取误差增大［11-12］，且数据窗较长，影响速动性；除此之外，基于故障分量网络的母线保护方法利用叠加原理，依赖于常规电网中与母线所连各支路故障前后电源与阻抗恒定，且只能在故障后短时投入；而含电力电子设备的新型电力系统在故障后拓扑结构呈现时变、非线性特征，使得该保护原理在理论上不再成立。文献［7-10］提出基于暂态行波的母线保护原理，通过比较母线内、外部故障时行波的极性关系［7-8］、幅值大小［9］和功率方向［10］来区分区内外故障。暂态行波母线保护利用小波变换处理行波信号，然后检测行波极性、幅值或功率方向信息判别母线区内外故障。该原理理论上不受换流器型电源特性的影响，但初始行波波头信息提取受故障初相角、噪声干扰以及高过渡电阻故障的影响较大。

综上分析，适用于新型电力系统的母线保护应基于时域全量构造保护判据，且保护原理不受换流器型电源特性影响。本文首先理论分析了电流差动保护在海上风电LFTS 母线上的适应性，接着分析母线区内外故障特征，建立对应的故障等效模型，然后构造模型误差函数，计算实测电气量与故障等效模型的匹配程度来区分故障位置；利用母线区外故障时CT 饱和导致识别参数离散度大的特点构造判据，与模型误差判据构成“与”逻辑，保证区外故障不误动。基于时域全量模型识别的母线保护利用母线区内外故障对应的等效模型差异来构造保护判据，反映被保护元件自身拓扑的变化，理论上具有不受电源特性影响的优势。因此，同样适用于换流器型电网。最后，通过PSCAD/EMTDC 建模仿真验证了新原理的可靠性和快速性。

1 母线差动保护适应性分析

海上风电LFTS拓扑结构如图1所示。海上风电场通过升压站将35 kV 风机出口电压升至220 kV，然后通过海底电缆，经母线M汇集输送到陆上变频站，将低频电转换为工频电并入电网中。图中：M3C 为模块化多电平矩阵变换器；iWFi(i=1，2，…，n)、iM3C为母线各支路电流，规定电流由线路流向母线为正方向；f1、f2分别表示母线区内、区外故障。

图1 LFTS 拓扑Fig.1 Topology of LFTS

正常运行时，风电场网侧换流站采用定直流电压和定无功功率控制策略；变频站低频侧采用定交流母线电压幅值与频率控制策略［13］。故障后风电场注入正序无功电流，为保证短路电流不超过电力电子器件的限值［14］，正序电流有限幅环节，同时采取负序电流抑制控制策略［15-16］；变频站低频侧可以灵活调节注入母线的负序电流。

母线电流差动保护因其原理简单可靠，常作为母线主保护［17］，故本文分析海上风电LFTS 中母线差动保护适应性。下文以单相接地故障为例，定量分析母线差动保护适应性与变频站低频侧注入负序电流的关系。

图2 为母线区内发生单相接地故障后复合序网图，图中：负序网络中风电场侧因负序电流抑制体现为开路，用虚线表示；为了便于分析，假设并联高抗完全补偿海缆容抗；变量上标+、-、0 分别表示对应变量的正、负、零序分量；Zlinei为第i个风电场主变压器高压侧至母线的线路阻抗；ZWFi为第i个风电场并网点至主变高压侧阻抗；为第i个风电场主变压器零序阻抗；为变频站低频侧换流变压器零序阻抗；İWFi为第i个风电场并网点输出电流，其为关于并网点电压的函数；U̇f为故障点各序分量电压；İf为故障支路各序分量电流；U̇M3C、İM3C分别为变频站低频网侧电压与电流；Rf为过渡电阻。

图2 单相接地故障复合序网图Fig.2 Composite sequence network diagram of singlephase-to-ground fault

目前，母线差动保护中主要采用的是比率制动特性母线电流差动保护，判据通常为：

式中：İj为第j条支路电流；ns为支路数；Iset0为最小动作电流阈值；Kres为比率制动系数，通常取值为0.3～0.7［18］。

母线区内单相接地故障时，以A 相接地故障（AG）为例，故障相动作电流Iop与制动电流Ires分别为：

式中：İWFi，A、İM3C，A分别表示第i个风电场A 相电流和变频站低频网侧A 相电流。

图2 中，根据电路构造基本方程为：

将式（3）代入式（2），有

由式（4）可知，母线区内单相接地故障下动作电流只取决于线路中负序电流含量，制动电流除了与负序电流有关外，还与风电场注入母线故障点的正序电流有关。为了便于分析动作电流与制动电流的大小关系，假设各支路零序阻抗相等且提供的正序电流相等，制动电流可简化为：

式（5）表明当与母线所连风电场数量越多，即n越大时，制动电流大小基本由风电场提供的正序电流İ+WF决定。为保证母线故障期间对系统的无功功率支撑，新能源机组常采用无功优先控制策略，且提供的正序电流一般可达到限值［19］。随着n增加，制动电流远大于动作电流，母线区内故障不再满足差动保护判据式（1），保护拒动。特别地，若母线故障后变频器低频侧也抑制输出负序电流，则理论上单相接地故障和两相相间故障时动作电流为0，母线差动保护拒动。其他故障类型下的母线差动保护适应性分析见附录A。

综上所述，母线差动保护基于基尔霍夫电流定律，利用故障后各支路提供电流相位近似相等来构造保护判据，适用于内电势和内阻抗故障前后均为常数的常规电源系统，逆变器型电网故障后控制策略切换行为致使电源的“拓扑结构”随时间变化，使得故障电流表现为穿越性电流的特性，电流差动保护原理灵敏度下降，甚至区内故障拒动。逆变器型电网母线保护应充分着眼于故障暂态量，尽可能寻求不受限于电源特性的保护原理。

2 故障特征分析

海上风电LFTS 母线故障后，故障电流均由换流器型电源提供，故障特征由控制策略和网络拓扑决定：暂态阶段不仅受到控制切换影响，双端系统均受控带来的高阶响应也使得故障电流特征难以定量分析。模型识别保护原理聚焦于被保护元件自身区内、外故障特征，不受故障电气量复杂多变影响，为海上风电LFTS 母线保护提供了新思路。

2.1 区内故障

海上风电LFTS 母线区内故障网络如图3（a）所示。图中：SWFi(i=1，2，…，n)、SM3C分别为第i个风电场与变频站等值电源；ZM3C为各支路线路与电源内阻抗之和，由于故障后换流器型电源的调控作用，该等值阻抗随时间变化［20］；if为流经过渡电阻Rf的电流。

图3 母线故障网络图Fig.3 Network diagram of busbar fault

由图3（a）可知，各支路故障电流和等于母线流入故障点的电流，定义母线差流因此，母线电压与母线差流满足电阻模型，即有

式（6）表明该模型不受母线故障后换流器型电源与等值阻抗时变的影响，适用于故障全过程。

2.2 区外故障

母线区外故障等效网络如图3（b）所示。图中：C为母线对地杂散电容值，通常在0.002～0.1 μF［21］之间；ic为母线对地电容电流。

母线发生区外故障时，各支路的电流和等于母线对地电容电流的值。因此，母线电压与母线差流满足电容模型，即有

用数值微分代替式（7）中的导数项，由该时域方程可得：

式中：icd(k)、uM(k)分别为故障后第k个母线差流和母线电压的采样值；T为采样周期。

3 基于模型识别的母线快速保护方案

由上文分析可知，母线区内故障时故障模型为R 模型，区外故障时故障模型为C 模型。因此，区内外故障判别可转化为故障模型判别，即利用模型识别［22］，通过比较两种模型的模型误差大小，来区分区内外故障。

定义R 模型、C 模型在数据窗内的模型误差ER、EC分别为：

式中：N为数据窗对应的采样点数；考虑到采样不确定性造成的数据坏点和数值微分带来的误差，Rf，cal、Ccal为最小二乘法在线识别参数，所需点数为N，以Ccal为例，有

其中，

3.1 保护动作判据

3.1.1 启动判据

母线保护要求装置的启动元件能够快速、灵敏地对母线的异常工况作出反应，其目的是检测故障，只有当启动元件动作后才开放基于模型识别的母线保护元件。母线电压突变量启动判据为：

式中：ΔuM，φ为φ相电压突变量，φ=A，B，C；uset为判据阈值，取为0.1UN（UN为母线额定电压）。

3.1.2 动作判据

母线区内故障满足R 模型，不满足C 模型，此时有ER=0 且EC＞0；母线区外故障满足C 模型，不满足R 模型，此时满足ER＞0 且EC=0。

母线区外发生故障时，故障电流如图1 中红色点线所示，各支路仅流过其自身电流，且故障电流受逆变器控制限流环节约束。因此，短路容量不大，CT 饱和情况一般不会发生。母线区外发生故障时，故障电流如图1 中绿色点线所示，各支路均向故障点注入电流，除故障支路外所有支路电流均流过故障支路CT，当支路数较多时，可能导致故障支路CT 饱和［23］。CT 饱和时，二次侧电流波形会出现畸变，使得模型识别中归一化电阻RR具有较大离散度，本文取其离散度为：

综上，基于模型识别的母线保护动作判据为：

式中：k=1，2，…，N/2；Dset为判据阈值，取为0.1。当有连续N/2 个点满足式（13）时，即可判为母线区内故障。

3.2 电压死区处理

值得注意的是，在母线区内或区外靠近母线侧金属性接地故障时导致母线电压接近0 的情况下，在线识别的故障相电阻参数均为0，故障相电容参数理论上均为无穷大，此时C 模型的模型误差无法计算，区内故障不满足式（13）。因此，在母线电压接近0 时该保护原理无法区分区内外故障，为了进一步提高母线保护的动作性能，采用采样值母线电流差动保护来防护电压死区。

进入电压死区判据为：

式中：uM，φ为φ相电压瞬时值，φ=A，B，C；uzd为电压死区整定电压，为很小值，本文取为0.02UN。

母线采样值电流差动保护动作判据为：

式中：ii为第i条支路电流瞬时值；Kr为比率制动系数，一般取值为0.6。

采样值差动保护的动作出口通常采用“R取S”判据，即若连续R个采样点计算中，有S个及以上采样点满足动作条件，则判为区内故障，采样频率为10 kHz，取R=50，S=35。

综上，基于时域模型识别的母线保护方案流程如图4 所示。

图4 保护方案流程图Fig.4 Flow chart of protection scheme

3.3 保护性能分析

3.3.1 受换流器型电源特性影响

常规比率制动特性母线电流差动保护性能受故障前系统功角关系影响大；基于模型识别的母线保护原理聚焦于母线故障后其网络拓扑结构的改变，不受换流器注入电流弱馈特性影响，即使与各支路换流器均采取负序电流抑制，所提母线保护原理依然有足够的灵敏度。

3.3.2 耐过渡电阻能力

母线区内高过渡电阻接地故障时，动作电流较小，制动电流因各支路电流相位差异等原因较大，母线电流差动保护动作灵敏度下降。基于模型识别的母线保护新原理不受制动电流大小影响，即使动作电流较小，母线区内故障等效电路模型仍为电阻模型，模型误差体现与模型的匹配程度，理论上与模型中电阻值大小无关；而区外故障等效电路模型为电容模型，区内外故障特征明显。因此，基于模型识别的母线保护具有较好的抗过渡电阻能力。

3.3.3 抗CT 饱和能力

母线区外故障情况下故障支路CT 易发生饱和，畸变的二次侧电流致使模型误差离散度增大，区外故障时模型误差ER的离散度很大，由此构造“与”逻辑动作判据，保证发生区外故障时保护不误动。因此，基于模型识别的母线保护具有良好的抗CT饱和能力。

4 仿真分析

在PSCAD/EMTDC 中搭建如图1 所示的海上风电LFTS 来验证所提保护新原理的正确性，与母线相连的两座风电场额定容量分别为50、100 MW，系统主要参数如附录B 表B1 所示，数据采样率为10 kHz，模型识别所需数据窗为5 ms。

4.1 母线电流差动保护

在图1 所示的海上风电LFTS 中，设置区内故障f1，故障类型为AG，过渡电阻为0.1 Ω。变频站低频侧负序电流指令值不同情况下的动作电流与制动电流比值如图5 所示。图中：电压、电流的相量提取采用全周傅氏算法。

图5 不同负序电流指令值下动作电流与制动电流比值Fig.5 Ratio of operate current to restraining current with different negative-sequence current commands

由图5 可知，母线内部故障后，随着变频站低频侧注入故障点负序电流的减小，动作电流与制动电流的比值逐渐降低。为了保证母线区内故障时差动保护的灵敏度，比率制动系数Kres的取值较小［5］，随着减小，电流差动保护判据不再满足，保护拒动。

当母线相连的风电场数量增多时，保持变频站低频侧向故障点注入负序电流为0.15 p.u.不变，增设的风电场容量均为50 MW。附录B 图B1 给出了不同母线支路数ns下动作电流与制动电流比值变化趋势。可以看出与母线相连支路数越多，制动电流越大，而动作电流由İ-M3C决定，其值基本不变。因此，动作电流与制动电流比值越小，保护面临拒动风险，验证了第1 章理论分析结果。其他故障类型下的仿真结果见附录B 图B2、图B3。

4.2 基于模型识别的母线保护

在图1 所示系统中，分别设置区内故障f1与区外故障f2，故障类型为AG，过渡电阻为1 Ω。为了与母线差动保护做对比，图6 和附录B 图B4 分别给出了变频站低频侧抑制负序电流下，母线区内和区外故障各相的模型误差与归一化电阻离散度。

图6 母线区内故障时的仿真结果Fig.6 Simulation result under internal busbar fault

由图6 可知，区内故障时故障相故障模型满足R 模型，有EC＞ER且DR＜Dset，满足式（13）的动作判据，保护能够快速动作；区外故障时，各相均满足C模型，有ER＞EC且DR＞Dset，保护可靠不动作。

区外AG 故障时故障支路CT 饱和情况下各相归一化电阻离散度如附录B 图B5 所示。由图B5 可知，A 相归一化电阻离散度DR（A）均满足DR（A）＞Dset，保护可靠不误动。220 kV 母线高阻接地故障时过渡电阻一般为50～100 Ω［4］，表1 给出了不同故障条件下的判别结果，大量仿真表明了所提母线保护原理的有效性和可靠性。表中：EC（A，B，C）表示A，B，C 三相对应的模型误差EC，其他含义类推。

表1 不同故障条件下的仿真结果Table 1 Simulation results under different fault conditions

4.3 电压死区处理仿真

母线区内或区外靠近母线侧发生金属性接地故障情况下，母线电压跌至死区整定电压以下，进入母线采样值电流差动保护。附录B 图B6（a）、（b）给出了区内金属性故障时动作电流与制动电流比值，图B6（c）、（d）对应为区外金属性故障，区内故障时S＞35，区外故障时S=0，保证母线电压死区时区内故障也能可靠动作，区外故障可靠不动作。

5 结语

本文提出了一种基于时域全量模型识别的海上风电LFTS 快速母线保护，PSCAD 仿真结果验证了新原理在风电场内的可行性。主要结论如下：

1）母线电流差动保护在海上风电LFTS 中存在适应性问题，其保护性能受逆变器型电源故障控制策略影响，具体表现为：区内单相接地或两相相间故障下，逆变器型电源向故障点注入负序电流越小，动作电流越低；与母线相连支路数越多，制动电流越大，保护面临拒动风险。

2）基于模型识别的母线保护原理在时域内实现，利用母线区内外故障对应的等效模型差异来构造保护判据，反映被保护元件自身拓扑的变化，不受逆变器型电源特性影响，在非金属性故障时具有较高的可靠性和灵敏度，模型误差动作判据不存在整定问题，动作速度快，模型识别母线保护同样适用于含逆变器型电源电网。对于区内金属性故障和近端区外金属性故障的死区问题，采用电流采样值差动原理的母线保护。

3）母线区外故障导致故障支路CT 饱和情况下，利用在线识别电阻参数离散度构建辅助判据与模型误差判据构成与逻辑，确保区外故障CT 饱和情况下保护不误动。

已有母线保护原理大多受逆变器型电源特性影响，而逆变器型电源特性在很大范围内具有可塑性。面向保护需求，构造相应可控电源特性的方法仍需要进一步研究。

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。