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摘要 構網(wǎng)型新能源集中外送系統(tǒng)接入顯著改變了電網(wǎng)的故障特征，外送線路發(fā)生故障時傳統(tǒng)縱聯(lián)保護易出現(xiàn)靈敏度降低甚至拒動風險?；诖?，提出一種基于復合序電流的構網(wǎng)型新能源機組外送線路縱聯(lián)保護新原理。考慮故障時構網(wǎng)型新能源機組固有控制策略對正序分量和負序分量的限制作用，將構網(wǎng)型新能源外送線路的故障分為對稱性故障、不對稱性故障和集中外送故障3類，并利用正序分量、負序分量構造保護判據(jù)，針對集中外送故障場景提出利用正序突變量構造保護判據(jù)。在此基礎上，將3種故障特征量融合并構造基于復合序電流的保護判據(jù)，進一步提升保護的靈敏性與速動性。在PSCAD中搭建構網(wǎng)型新能源集中外送系統(tǒng)模型驗證所提保護新原理的性能。仿真結果表明，所提方案在高阻接地情況下，仍具有較高的靈敏度。
1 構網(wǎng)型新能源機組控制方案
1.1 故障限流策略
構網(wǎng)型控制技術通過調節(jié)接入點電壓的幅值和相位來控制注入功率。構網(wǎng)型控制策略在運行時采集公共接入點的三相電壓電流信號，通過功率外環(huán)控制形成電壓幅值信號U*與相位信號θ*，利用脈沖寬度調制（pulse width modulation，PWM）技術生成開關器件的驅動信號。構網(wǎng)型控制技術典型控制流程如圖1所示。
圖1 構網(wǎng)型變流器控制流程
Fig.1 Grid-forming converter control process
在圖1中，uabc、iabc分別為變流器系統(tǒng)側公共接入點的三相電壓與電流；Re、Le分別為變流器端口到公共接入點的等效電阻與電感；Rg、Lg分別為系統(tǒng)側線路的等效電阻與電感。
構網(wǎng)型控制技術通過模擬同步發(fā)電機的運行特性，使新能源機組呈現(xiàn)出相似的外特性。但構網(wǎng)型變流器承受的過流能力有限，為避免故障電流過大導致開關器件損壞，構網(wǎng)型控制策略通常包含故障限流策略。
目前構網(wǎng)型變流器采用的故障限流策略可分為電流直接限幅與電流間接限幅2類。電流直接限幅通過修改電流內環(huán)的參考值調整輸出電流的大小和相位；電流間接限幅引入可調整的虛擬阻抗，通過控制增大內部虛擬阻抗實現(xiàn)限流。故障限流策略能夠將故障期間構網(wǎng)型變流器提供的故障電流限制在額定電流的1.2~1.5倍，因此故障限流策略會削弱系統(tǒng)故障等大擾動情況下的電氣特征。
1.2 負序抑制策略
在構網(wǎng)型變流器的控制方式有下垂控制、虛擬振蕩器控制和虛擬同步機控制3類，其中，下垂控制具有原理簡單、運行穩(wěn)定、響應速度快等優(yōu)勢，但無法模擬同步發(fā)電機的慣性與阻尼特性，即在面臨快速變化的負荷或電網(wǎng)故障時，其無法快速調節(jié)發(fā)電單元的實際輸出功率。此外，該控制策略也無法有效抑制電壓、頻率振蕩現(xiàn)象。基于虛擬振蕩器控制的變流器也不具備慣性環(huán)節(jié)，大規(guī)模接入電網(wǎng)時會削弱電網(wǎng)慣性，降低電網(wǎng)的穩(wěn)定性。虛擬同步機控制則是在下垂控制的基礎上增加了對同步發(fā)電機慣性、阻尼特性的模擬，該控制策略能有效提升系統(tǒng)的穩(wěn)定性與可靠性。目前，虛擬同步機控制技術因其優(yōu)良特性已在構網(wǎng)型變流器中得到了廣泛研究與實踐。因此，本文以虛擬同步機控制的構網(wǎng)型變流器為背景分析負序抑制策略。
當系統(tǒng)側電壓發(fā)生三相不平衡跌落時，公共接入點的不平衡電壓會導致構網(wǎng)型VSG的輸出電流呈現(xiàn)出三相不平衡特性，此時并網(wǎng)變流器的輸出功率中包含了直流分量和倍頻的有功功率分量與無功功率分量。為避免系統(tǒng)側不對稱故障導致并網(wǎng)變流器出現(xiàn)輸出電流不對稱以及輸出功率倍頻震蕩問題，通常會將負序電流的指令設置為0，以抑制有功功率與無功功率的倍頻分量。
構網(wǎng)型變流器功率控制環(huán)輸出的參考電壓經過坐標變換與正負序分離，可得正序電流指令，同時將負序電流指令設置為0。經正序電流控制環(huán)與實際正序電流相減并乘以系數(shù)得到正序電壓指令。同理，經負序電流控制環(huán)與實際負序電流相減并乘以系數(shù)得到負序電壓指令，最終合成電壓指令。因此，構網(wǎng)型變流器在處理電流不對稱及輸出功率震蕩問題時，會導致其輸出負序電流為0，對外表現(xiàn)為負序抑制特性。
2 構網(wǎng)型新能源機組故障序電流特征分析
以構網(wǎng)型光伏發(fā)電機組為基礎搭建構網(wǎng)型新能源機組集中外送系統(tǒng)，拓撲結構如圖2所示。其中，PVn為第n組光伏發(fā)電機組；PCC為并網(wǎng)點；ZL1為故障點至場站側外送線路的等值阻抗；ZL2為故障點至系統(tǒng)側外送線路的等值阻抗；Zs為系統(tǒng)側等值阻抗。
圖2 構網(wǎng)型新能源機組集中外送系統(tǒng)
Fig.2 Grid-forming new energy set centralized outward transmission system
外送線路發(fā)生故障時，系統(tǒng)側提供的短路電流Is為
式中：E為系統(tǒng)側等值電源；Zs為系統(tǒng)側等值阻抗；ZL2為故障點至系統(tǒng)側外送線路的等值阻抗。
外送線路發(fā)生對稱性故障時，系統(tǒng)側提供的短路電流可達額定運行電流的數(shù)倍。而構網(wǎng)型新能源機組在故障限流策略的作用下，其提供的短路電流被限制在額定電流的1.2~1.5倍。因此在構網(wǎng)型新能源機組接入數(shù)量較少時，場站側與系統(tǒng)側提供的短路電流有明顯差別，傳統(tǒng)縱聯(lián)保護能夠正確動作。
但在新能源機組集中外送場景下，多臺構網(wǎng)型新能源機組并聯(lián)在一條母線上，共同向系統(tǒng)輸送電能，此時外送線路發(fā)生故障時場站側提供的短路電流Iw為
式中：N為構網(wǎng)型新能源機組接入數(shù)量；k為在故障限流策略作用下單臺機組的故障電流限制系數(shù)，取1.2~1.5；IN為單臺機組的額定運行電流。
隨著構網(wǎng)型新能源機組接入數(shù)量的提升，場站側提供的短路電流不斷增大，可能導致兩側短路電流近似相等，傳統(tǒng)縱聯(lián)保護無法正確動作。由于故障時系統(tǒng)側與場站側提供的故障電流方向相反，此時可通過計算兩側的電流突變量放大故障特征，進而判別故障。
外送線路發(fā)生不對稱性故障時，在負序抑制策略的作用下，此時場站側提供的負序電流接近于0，而系統(tǒng)側提供的負序電流不受影響，因此兩側負序電流有明顯差別，可利用此特性判別不對稱性故障。
3 基于復合序電流特征的縱聯(lián)保護新原理
3.1 多故障場景下基于序電流特征的故障判據(jù)
新能源機組接入導致系統(tǒng)故障時呈現(xiàn)出幅值受限和相位受控的特征，致使傳統(tǒng)縱聯(lián)保護無法正確識別故障。為解決這一問題，本文分析了構網(wǎng)型新能源機組接入場景下由控制策略引起的故障特征，有以下結論：
1）外送線路發(fā)生不對稱性故障時，在負序抑制策略的作用下場站側基本不提供負序電流，兩側負序電流差別較大；
2）外送線路發(fā)生對稱性故障時，故障限流策略限制了場站側提供的故障電流。當構網(wǎng)型新能源機組接入數(shù)量較少時，兩側故障電流差別較大；當構網(wǎng)型新能源機組接入數(shù)量較多時，兩側故障電流差別較小，此時可計算電流突變量放大故障特征。
因此，可將構網(wǎng)型新能源機組的故障場景簡化為3類：對稱性故障、不對稱性故障、新能源機組集中外送系統(tǒng)故障。分別利用故障電流的正序分量、負序分量、正序突變量構造保護判據(jù)，充分利用場站側與系統(tǒng)側電流幅值差異這一重要特征，同時舍去相角判據(jù)，規(guī)避相角受控帶來的誤判風險。判據(jù)構建方法如下。
1）對稱性故障。若新能源機組的接入數(shù)量較少，在故障限流策略的影響下，系統(tǒng)側提供的短路電流Is遠大于場站側提供的短路電流Iw，基于線路兩側的正序電流同樣符合該故障特征，因此可以選取正序電流幅值比構建判據(jù)，即
式中：Is1為系統(tǒng)側提供短路電流正序分量的幅值；Iw1為場站側提供短路電流正序分量的幅值；K1為正序電流比例系數(shù)。
2）不對稱性故障。構網(wǎng)型新能源機組包含負序抑制策略，發(fā)生不對稱故障時場站側提供的負序電流基本為0，而系統(tǒng)側負序電流相對較大，即使在高阻接地下，兩側負序電流也有顯著差異，因此可以利用負序電流構建判別不對稱故障的保護判據(jù)，即
式中：Is2為系統(tǒng)側提供短路電流負序分量的幅值；Iw2為場站側提供短路電流負序分量的幅值；K2為負序電流比例系數(shù)。
3）新能源機組集中外送系統(tǒng)故障。當新能源機組集中外送線路發(fā)生對稱性故障，由于構網(wǎng)型新能源機組接入數(shù)量較多，系統(tǒng)側與場站側提供的短路電流可能相近。考慮到場站側與系統(tǒng)側故障電流反向，以正常運行時外送線路的穿越電流為基準，引入正序電流突變量構建保護判據(jù)，此時場站側正序電流突變量ΔIw1為
式中：Iw1為發(fā)生對稱性故障時場站側提供故障電流的正序分量；IL為正常運行時外送線路穿越性電流的正序分量；Iw1為Iw1的幅值；IL為IL的幅值。
系統(tǒng)側正序電流突變量ΔIs1為
式中：Is1為發(fā)生對稱性故障時系統(tǒng)側提供故障電流的正序分量；Is1為Is1的幅值。
盡管線路兩側正序電流接近，但在IL的影響下，線路兩側正序電流突變量仍存在較大差異，因此可以構建判據(jù)，即
式中：K3為正序電流突變量比例系數(shù)。
此外，新能源機組集中外送線路發(fā)生不對稱性故障時，負序抑制策略同樣使場站側基本不提供負序電流，因此利用不對性故障判據(jù)即可判別故障。
綜上所述，在以上3種故障場景下，場站側的故障特征量總是大于系統(tǒng)側。為了進一步提升保護的在新能源集中外送場景下的靈敏性和可靠性，融合3種故障特征量構成復合序電流特征量，并為負序分量判據(jù)與電流突變量判據(jù)賦予更高的權重。場站側復合序電流特征量Iw-comp為
式中：m1、m2分別為權重系數(shù)，通?？扇?~6。
系統(tǒng)側復合序電流特征量Is-comp為
構建的保護綜合判據(jù)可表示為
式中：Krel為可靠系數(shù)，通?？扇?.2~1.5。
3.2 縱聯(lián)保護運行方案
本文所提縱聯(lián)保護判別流程如下。
1）首先實時采集線路兩側電流，并利用電流突變量啟動元件進行啟動判定。
2）若滿足啟動判據(jù)，提取啟動時刻后5 ms內系統(tǒng)側與場站側的三相故障電流。
3）利用傅里葉變換分別求解兩側故障電流的正序與負序分量，并取啟動時刻前5 ms內的電流作為正常運行時的穿越電流，以此為基準計算兩側的正序電流突變量。
4）將求得的特征量依次代入3類故障判據(jù)進行判斷，若滿足判據(jù)，則保護跳閘。若不滿足，則合成復合序電流，代入式保護綜合判據(jù)進一步判斷，若滿足判據(jù)，則保護跳閘。若不滿足，則保護退出，并持續(xù)監(jiān)測故障。
4 仿真驗證
為驗證本文所提的構網(wǎng)型新能源機組集中外送場景下縱聯(lián)保護新原理，利用PSCAD搭建新能源集中外送系統(tǒng)，以光伏發(fā)電機組為例，采用虛擬同步機控制技術構建構網(wǎng)型新能源機組。依次驗證對稱性故障、不對稱性故障、新能源機組集中外送系統(tǒng)故障3類場景下縱差保護的有效性。
4.1 不同場景下故障特征量驗證
4.1.1 對稱性故障場景
在構建的構網(wǎng)型新能源機組集中外送模型中，通過調整構網(wǎng)型新能源機組的容量反映機組的接入數(shù)量。當構網(wǎng)型新能源機組接入數(shù)量較小時，設置外送線路發(fā)生三相接地故障，故障發(fā)生時刻為2 s。提取故障發(fā)生后場站側與系統(tǒng)側的故障電流，利用傅里葉變換分離正序分量，兩側的正序分量如圖3所示。由圖3可知，故障發(fā)生后，構網(wǎng)型新能源機組的故障限流策略立即投入運行，將場站側的故障電流限制在額定運行電流的1.2倍左右，因此其正序分量的幅值變化不明顯。而系統(tǒng)側提供的故障電流不受故障限流策略的影響，僅與系統(tǒng)側等值阻抗與系統(tǒng)側線路阻抗相關，因此其正序分量幅值較大?？梢姡瑑蓚日蚍至糠挡顒e較大，因此能夠用于構建保護判據(jù)。
圖3 對稱故障場景下系統(tǒng)側與場站側正序電流
Fig.3 Grid-side and power-side positive sequence current for symmetrical fault scenarios
4.1.2 不對稱性故障場景
保持構網(wǎng)型新能源機組的容量不變，設置外送線路發(fā)生單相接地故障，故障發(fā)生時刻為2 s。提取故障發(fā)生后場站側與系統(tǒng)側的故障電流，利用傅里葉變換分離負序分量，兩側的負序分量如圖4所示。由圖4可知，故障發(fā)生后，構網(wǎng)型新能源機組在負序抑制策略的作用下基本不提供負序電流，而系統(tǒng)側不受負序抑制策略的影響，所提供的負序電流幅值較大?？梢?，兩側負序電流的幅值有顯著差別，且這一特征在所有不對稱故障場景下均較為明顯，因此能夠用于構建保護判據(jù)。
圖4 不對稱故障場景下系統(tǒng)側與場站側負序電流
Fig.4 Grid-side and power-side negative sequence current for unsymmetrical fault scenarios
保持故障條件不變，設置接地電阻分別為100 Ω、1 000 Ω、3 000 Ω和5 000 Ω，驗證高阻接地對負序判據(jù)的影響。研究發(fā)現(xiàn)雖然接地電阻增大會削弱系統(tǒng)側提供的負序電流，但仍遠大于場站側提供的負序電流，兩側負序電流幅值比較大。因此該判據(jù)反映的故障特征較為明顯，基本不受接地電阻的影響。
4.1.3 新能源機組集中外送系統(tǒng)故障場景
增加構網(wǎng)型新能源機組的接入容量，模擬構網(wǎng)型新能源集中接入場景。設置三相接地故障，故障發(fā)生時刻為2 s。由于外送線路發(fā)生故障后，場站側與系統(tǒng)側的故障電流方向相反，因此可以利用正序電流突變量特征識別故障。以正常運行時外送線路的穿越電流為基準，將兩側故障電流分別與穿越電流做差，并利用傅里葉變換分離正序分量，得到兩側正序突變量，如圖5所示。由圖5可知，由于構網(wǎng)型新能源機組接入數(shù)量的增加，故障時場站側提供的故障電流與系統(tǒng)側相近，但在故障限流策略的影響下，其與正常運行下的穿越電流仍保持1.2倍關系。因此在引入正序突變量進行分析后，場站側正序電流突變量的幅值約為額定電流的0.2倍，而系統(tǒng)側提供的故障電流與穿越電流反向，其正序電流突變量的幅值約為額定電流的2倍?？梢姡孟到y(tǒng)側與場站側故障電流反向特性，引入穿越電流計算兩側正序電流突變量，有效放大了故障特征，因此能夠用于構建保護判據(jù)。
圖5 新能源機組集中外送系統(tǒng)故障場景下系統(tǒng)側與場站側正序突變量
Fig.5 Grid-side and power-side positive sequence mutation current for new energy set centralized outward transmission scenarios
4.2 基于復合序電流的綜合判據(jù)及縱聯(lián)保護速動性驗證
本文設置不同的故障條件判斷在新能源集中外送場景下，采用的權重系數(shù)m1=m2=4，故障判別結果如表1所示。由表1可知，在構網(wǎng)型新能源機組集中外送場景下，此時由正序分量構造的保護判據(jù)幾乎無效，因此有必要利用復合序電流判據(jù)識別故障。當外送線路發(fā)生故障時，為正序突變量設置的權重會放大兩側的故障特征，放大兩側復合序電流的幅值差異。其中，若發(fā)生不對稱故障，則為負序分量設置的權重會進一步放大的兩側故障特征，使兩側復合序電流呈現(xiàn)出明顯差異。可見，在不同故障條件下系統(tǒng)側與場站側的復合序電流幅值比均大于可靠系數(shù)，因此本文提出的復合序電流判據(jù)可以準確識別構網(wǎng)型新能源集中外送場景下送出線路的故障。
表1 不同故障條件下綜合判據(jù)的故障識別效果
Table 1 Fault identification effect of the comprehensive criterion under different fault conditions
為了保證縱聯(lián)保護能夠快速切除故障，設置故障時間為2 s，分別設置不同故障條件，針對單相接地、兩相短路、兩相接地、三相短路、三相接地5種典型故障進行多次實驗，保護動作時間均不超過5 ms。研究發(fā)現(xiàn)，在4種故障類型下保護動作最長時延分別為3.248 ms、3.421 ms、3.368 ms、4.622 ms、3.380 ms，縱聯(lián)保護動作時間均在5 ms以內，本文所提方案能夠在故障發(fā)生后短時間內識別并切除故障，因此能夠滿足繼電保護的速動性要求。
5 結論
針對構網(wǎng)型新能源集中外送系統(tǒng)因幅值受限、相角受控特性致使傳統(tǒng)縱聯(lián)保護適應性下降問題，提出了一種基于復合序電流的縱聯(lián)保護新原理，利用PSCAD構建構網(wǎng)型集中外送系統(tǒng)，設置不同故障條件分析驗證，得到如下結論。
1）考慮構網(wǎng)型新能源機組固有控制策略的影響，由故障電流正序分量與負序分量構造的保護判據(jù)均能準確識別故障。與傳統(tǒng)縱聯(lián)保護方案相比，所提判據(jù)充分利用場站側與系統(tǒng)側故障電流的幅值特征，并通過舍去相角判據(jù)規(guī)避相角受控的影響。
2）充分考慮了新能源集中外送場景的故障特征，提出利用正序突變量構造保護判據(jù)，利用場站側與系統(tǒng)故障電流的反向特性放大故障特征，顯著提升了故障識別的準確性。
3）在保護裝置的現(xiàn)實需求下，融合3種故障特征，構造基于復合序電流比幅的縱聯(lián)保護新判據(jù)，仿真結果表明該判據(jù)在速動性和靈敏性方面均有顯著提升。
本文研究主要針對構網(wǎng)型新能源集中外送系統(tǒng)的保護新原理研究，提出適用于構網(wǎng)型新能源大規(guī)模外送場景下的可靠縱聯(lián)保護方案。未來可以立足于“控保協(xié)同”思路，充分利用新能源機組的硬件優(yōu)勢，開發(fā)自主注入探測信號的故障識別方案，克服被動保護始終受新能源滲透率制約的缺陷。
