高 飄，鄭曉冬，晁晨栩，邰能靈，楊增力，王 晶

（1. 電力傳輸與功率變換控制教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（上海交通大學(xué)），上海市 200240；2. 國(guó)網(wǎng)湖北省電力有限公司，湖北省武漢市 430077）

0 引言

模塊化多電平換流器（modular multilevel converter，MMC）具有模塊化程度高、無(wú)換相失敗、易于實(shí)現(xiàn)解耦控制等優(yōu)點(diǎn)，基于MMC 的柔性直流電網(wǎng)能夠?qū)崿F(xiàn)輸電系統(tǒng)潮流的靈活控制，目前廣泛應(yīng)用于風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)、無(wú)源系統(tǒng)和弱電網(wǎng)供電以及城市供電等領(lǐng)域［1-4］。柔性直流輸電系統(tǒng)阻尼小，故障后的電流上升速度快，對(duì)保護(hù)的速動(dòng)性和可靠性提出了更高的要求［5］。

柔性直流輸電系統(tǒng)的換流器是提供故障電流的激勵(lì)電源，換流器的強(qiáng)可控性以及控制策略的多樣性導(dǎo)致了故障特征的復(fù)雜性。換流器的快速控制特性使得換流器不能像同步機(jī)電源一樣提供穩(wěn)定的短路電流，進(jìn)而影響繼電保護(hù)動(dòng)作性能［6］。柔性直流電網(wǎng)的保護(hù)和控制是緊密相連的，換流器的控制過(guò)程在繼電保護(hù)的適應(yīng)性分析中有著重要作用，可以考慮利用換流器的快速調(diào)節(jié)作用來(lái)進(jìn)行故障識(shí)別和故障后的快速恢復(fù)，將直流保護(hù)和控制在同一平臺(tái)實(shí)現(xiàn)［7］。

隨著直流輸電的發(fā)展，直流系統(tǒng)控制和保護(hù)可以在同一時(shí)間尺度內(nèi)實(shí)現(xiàn)，控制和保護(hù)之間存在相互作用。柔性直流輸電系統(tǒng)可控性強(qiáng)，基于換流器控制的故障識(shí)別與恢復(fù)可能成為今后控制與保護(hù)研究的熱點(diǎn)。文獻(xiàn)［8］利用閉鎖電壓源換流器（VSC）內(nèi)部橋臂晶閘管和外加反并聯(lián)晶閘管實(shí)現(xiàn)限流，并通過(guò)快速隔離開(kāi)關(guān)與外加晶閘管的控制策略進(jìn)行時(shí)序邏輯上的相互配合，實(shí)現(xiàn)故障隔離。該方法對(duì)換流器的控制進(jìn)行了改進(jìn)，需要在逆變器內(nèi)額外添加晶閘管設(shè)備，且受線(xiàn)路長(zhǎng)度和功率波動(dòng)的影響較大，實(shí)用性有待驗(yàn)證。文獻(xiàn)［9］提出通過(guò)換流器附加的控制策略，由斷路器向故障線(xiàn)路注入特征信號(hào)來(lái)識(shí)別故障，并提出了直流的快速重啟方案。該方案受采樣頻率以及斷路器全控器件特性的影響較大。文獻(xiàn)［10］通過(guò)切換控制方式來(lái)改變系統(tǒng)中換流器的調(diào)制頻率，將換流器變?yōu)樘卣餍盘?hào)的注入源，利用特征信號(hào)構(gòu)建保護(hù)方案。此方法主要針對(duì)直流線(xiàn)路極間短路故障。文獻(xiàn)［11］提出向換流站端口注入相同頻率的正弦式探測(cè)信號(hào)來(lái)識(shí)別故障類(lèi)型的保護(hù)方案。此方案需要在換流器處增加額外的信號(hào)發(fā)生裝置，并且由于選取特征信號(hào)的頻率較小，因此在保護(hù)速動(dòng)性上表現(xiàn)較差。

由上述分析可知，現(xiàn)有的對(duì)于直流控制與保護(hù)相結(jié)合的研究主要集中在對(duì)換流器的控制策略或者結(jié)構(gòu)進(jìn)行改變，向直流線(xiàn)路主動(dòng)注入特征信號(hào)進(jìn)行故障檢測(cè)或者測(cè)距。此類(lèi)方法需要產(chǎn)生新的脈沖或者控制信號(hào)，對(duì)控制系統(tǒng)的安全正常運(yùn)行可能會(huì)有一定的影響，并且需要進(jìn)一步研究特征信號(hào)的產(chǎn)生方式、注入時(shí)間、持續(xù)時(shí)間、信號(hào)波形、頻率幅值以及與換流器的配合等，需要對(duì)注入信號(hào)進(jìn)行精確控制，易受到外部因素的干擾，可行性有待進(jìn)一步驗(yàn)證［6，12］。在有些情況下，還需要額外增加設(shè)備或者改變換流器的結(jié)構(gòu)，使得成本提高。

本文在考慮換流器控制特性的基礎(chǔ)上，基于控制與保護(hù)相結(jié)合的思想，提出一種利用控制特征量來(lái)識(shí)別故障的保護(hù)方案。該方案無(wú)須主動(dòng)注入特征信號(hào)或改變換流器結(jié)構(gòu)，不需要額外增加設(shè)備，便于控制和保護(hù)的集成設(shè)計(jì)。在換流器不同控制策略和不同的控制參數(shù)下，保護(hù)整定值能夠自適應(yīng)變化，獲得更好的保護(hù)性能。所提保護(hù)方案根據(jù)不同故障下的控制特征信號(hào)響應(yīng)，構(gòu)建暫態(tài)能量判據(jù)來(lái)識(shí)別直流區(qū)內(nèi)外故障，實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，故障檢測(cè)時(shí)間快，抗干擾能力強(qiáng)，具備足夠的靈敏性與可靠性。

1 故障后換流器控制信號(hào)響應(yīng)特征

MMC 的控制結(jié)構(gòu)包括內(nèi)環(huán)電流控制器和外環(huán)功率控制器。內(nèi)環(huán)電流控制器主要使dq軸電流快速跟蹤參考值，將內(nèi)部環(huán)流抑制為零。外環(huán)功率控制器將產(chǎn)生一個(gè)直軸電流參考值Id，ref，控制邏輯如附錄A 圖A1 所示。系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)，外環(huán)功率控制器特征信號(hào)Id，ref維持穩(wěn)定。當(dāng)系統(tǒng)故障時(shí)，外部電壓、功率等參數(shù)的變化以及控制器自身參數(shù)調(diào)節(jié)導(dǎo)致控制器輸出的信號(hào)Id，ref在故障后瞬間變化，不同故障類(lèi)型和故障程度下控制信號(hào)會(huì)產(chǎn)生不同的響應(yīng)特征。

1.1 定有功功率控制

1.1.1 基本控制關(guān)系如附錄A 圖A1 所示，在定有功功率控制的情況下，輸出的控制信號(hào)表達(dá)式為：

式中：kp，p、Ti，p、kVdc為控制參數(shù)；udc為直流電壓；udc，max和udc，min分別為直流電壓上限和下限的標(biāo)幺值，分別取1.05 和0.95；P和Pref分別為有功功率的實(shí)際值和參考值。

定交流有功功率的控制中，有功功率實(shí)際值取換流器交流側(cè)的三相電壓電流數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，將功率的實(shí)際值與參考值取差值后經(jīng)過(guò)比例-積分（PI）控制器輸出。在直流線(xiàn)路故障的短時(shí)間內(nèi)，換流器交流側(cè)的電壓和電流響應(yīng)速度慢，波動(dòng)相對(duì)較小，故障初始有功功率標(biāo)幺值的波動(dòng)很小?？紤]定有功功率控制的換流器直流側(cè)出口雙極短路故障下的有功功率的波動(dòng)如附錄A 圖A2 所示，在直流出口故障情況下，交流側(cè)的功率標(biāo)幺值的變化可以忽略。

直流故障的瞬間電壓迅速跌落，根據(jù)上述分析，在定有功功率下直流側(cè)故障時(shí)，式（1）可表達(dá)為：

故障后的直軸電流控制信號(hào)的變化量ΔId，ref可表示為：

式中：Δu為電壓變化的標(biāo)幺值。

1.1.2 直流側(cè)區(qū)內(nèi)外故障控制響應(yīng)特性

在直流側(cè)故障的初始階段，交流側(cè)三相系統(tǒng)對(duì)稱(chēng)，交流側(cè)系統(tǒng)對(duì)直流側(cè)故障電流沒(méi)有貢獻(xiàn)，交流側(cè)對(duì)直流側(cè)的影響可以忽略［13］。因此，可對(duì)故障后的電容放電回路單獨(dú)分析。

中國(guó)張北四端柔性直流輸電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如附錄A圖A3 所示，線(xiàn)路13 區(qū)內(nèi)雙極故障的等效回路如附錄A 圖A4 所示。張北柔性直流電網(wǎng)設(shè)置經(jīng)電抗器接入中性線(xiàn)，在單極接地故障的情況下，中性線(xiàn)上會(huì)流過(guò)故障電流。真雙極結(jié)構(gòu)下兩極拓?fù)鋮?shù)對(duì)稱(chēng)，雙極短路時(shí)中性線(xiàn)無(wú)故障電流流通。直流中點(diǎn)故障的等效電路如圖1 所示。圖中：R0為換流器內(nèi)部橋臂電阻；L0和C0分別為橋臂電感和子模塊電容；N為投入的子模塊數(shù)目；iM1和iM2分別為故障正極和負(fù)極的MMC 的故障電流，ΔiM1和ΔiM2分別為對(duì)應(yīng)的故障后電流變化量；Ld為限流電抗器；Lg為中性點(diǎn)接地電感；R1和L1分別為直流側(cè)出口到故障點(diǎn)的線(xiàn)路的電阻和電感。MMC 內(nèi)部可等效為電感電容和電阻的串聯(lián)電路。

圖1 區(qū)內(nèi)故障等效電路圖Fig.1 Equivalent circuit diagram of internal fault

故障后的電容電壓不能突變，換流器直流側(cè)出口電壓的變化主要由電感電壓的變化引起［14］。Δu可以表示為：

在故障后的短時(shí)間內(nèi)，式（6）的衰減項(xiàng)對(duì)故障電流的影響基本可以忽略，不同故障下的故障電流的差異主要由故障等效電感的不同引起［16］。直流側(cè)正向區(qū)外故障條件下，考慮控制信號(hào)能夠取得的最大值，以正向區(qū)外雙極故障為例進(jìn)行分析，故障后的簡(jiǎn)化等效電路如圖2 所示。圖中：iM3為對(duì)側(cè)MMC的故障電流。

圖2 正向區(qū)外故障等效電路圖Fig.2 Equivalent circuit diagram of for ward external fault

由圖1 和圖2 可見(jiàn)，在同類(lèi)型故障的情況下，區(qū)外故障時(shí)回路的等效電感均大于區(qū)內(nèi)故障下的等效電感，區(qū)外故障時(shí)ΔiM1小于區(qū)內(nèi)故障時(shí)的值。此時(shí)控制信號(hào)的積分值滿(mǎn)足：

式中：ΔId，ref，in和ΔId，ref，ex分別為區(qū)內(nèi)和區(qū)外發(fā)生同類(lèi)型故障時(shí)的控制信號(hào)變化量。

由圖2（b）可知，區(qū)外雙極故障的情況下的等效電感Leq，ex滿(mǎn)足：

式中：ΔiM3為對(duì)側(cè)MMC 故障電流的變化量。

如圖1（a）所示，區(qū)內(nèi)正極接地故障條件下故障回路的等效電感Leq，in為：

在實(shí)際的張北柔性直流工程中，設(shè)置的接入中性線(xiàn)的電抗器Lg為300 mH，直流線(xiàn)路限流電抗器Ld為150 mH［17］，因此對(duì)比式（8）和式（9），直流區(qū)內(nèi)正極故障下的等效電感小于區(qū)外雙極故障的等效電感。將式（8）、式（9）代入式（6）得到：

式中：ΔId，ref，sig，in和ΔId，ref，bip，ex分別為區(qū)內(nèi)單極接地和區(qū)外雙極短路故障時(shí)的控制信號(hào)變化量。

由式（11）可知，區(qū)內(nèi)單極接地故障下的控制信號(hào)ΔId，ref的積分值大于區(qū)外雙極故障的積分值。對(duì)比圖1（b）和圖2（a）可知，區(qū)內(nèi)雙極短路故障的等效電感遠(yuǎn)小于區(qū)外單極接地故障的等效電感值，因此區(qū)內(nèi)雙極故障下ΔId，ref的積分值遠(yuǎn)大于區(qū)外單極接地故障下的積分值。

綜上所述，在定有功功率控制下，直流側(cè)發(fā)生故障的短時(shí)間內(nèi)，區(qū)內(nèi)故障時(shí)的控制信號(hào)的積分值大于正向區(qū)外故障的控制信號(hào)的積分值。

1.2 定直流電壓控制

如附錄A 圖A1 所示，在定直流電壓控制的情況下，輸出的控制信號(hào)的表達(dá)式為：

直流側(cè)故障時(shí)，定直流電壓與定有功功率控制分析類(lèi)似，區(qū)內(nèi)故障的控制信號(hào)變化量的積分值大于正向區(qū)外故障下的控制信號(hào)變化量的積分值。

2 保護(hù)基本原理和方案

柔性直流線(xiàn)路發(fā)生故障時(shí)，故障點(diǎn)會(huì)產(chǎn)生明顯的電壓跌落，此時(shí)故障電壓變化率大，可參照常規(guī)的直流保護(hù)利用電壓變化率［3］的快速啟動(dòng)方法。

2.1 區(qū)內(nèi)外故障識(shí)別原理

四端MMC 柔性直流電網(wǎng)結(jié)構(gòu)如附錄A 圖A3所示，該系統(tǒng)是一個(gè)±500 kV 的真雙極直流電網(wǎng)，各換流站采用的控制模式如附錄A 表A1 所示。

本節(jié)分析以MMC1 和MMC3 為例，其他換流器的分析與之類(lèi)似。由第1 章分析可知，對(duì)于MMC1 而言，在直流側(cè)發(fā)生故障的短時(shí)間內(nèi)，線(xiàn)路12 和線(xiàn)路13 上故障情況下的控制信號(hào)ΔId，ref的積分值均大于線(xiàn)路24 和線(xiàn)路34 上故障的控制信號(hào)積分值。因此，可以設(shè)置閾值使得MMC1 中控制信號(hào)能夠識(shí)別到線(xiàn)路12 和線(xiàn)路13 上的故障，即MMC1 的保護(hù)能識(shí)別區(qū)域1 上發(fā)生的故障。同理，在MMC3 中可通過(guò)設(shè)置控制信號(hào)暫態(tài)能量的閾值，識(shí)別到線(xiàn)路13 和線(xiàn)路34 上的故障，即附錄A 圖A3中區(qū)域2 的故障?；谝陨显恚梢岳秒p端換流器的控制信號(hào)構(gòu)建識(shí)別區(qū)內(nèi)外故障的縱聯(lián)保護(hù)。考慮到區(qū)外故障的控制信號(hào)的積分值遠(yuǎn)小于區(qū)內(nèi)故障的積分值，可定義控制信號(hào)的暫態(tài)能量ΔEcon為：

式中：ΔEcon1和ΔEcon3分別為MMC1 和MMC3 的控制信號(hào)暫態(tài)能量；Eset1和Eset3分別為MMC1 和MMC3 的暫態(tài)能量整定值。

整定值的大小需要考慮躲開(kāi)區(qū)外發(fā)生雙極故障的最大值，并留一定的裕度。MMC1 采用定有功功率和無(wú)功功率的控制模式，根據(jù)式（5）和式（15），其控制信號(hào)暫態(tài)能量整定值應(yīng)該滿(mǎn)足：

式中：krel為可靠性系數(shù)；Id?為直軸電流基準(zhǔn)值。

MMC1 的基本控制參數(shù)如附錄A 表A2 所示，在區(qū)外近端雙極故障的最不利故障情況下，故障等效網(wǎng)絡(luò)如附錄A 圖A5 所示，此時(shí)可以得到故障后電流滿(mǎn)足：

對(duì)式（18）求解得到的故障電流與仿真分析對(duì)比的結(jié)果如附錄A 圖A6 所示，由計(jì)算結(jié)果可知，直流側(cè)區(qū)外雙極故障后的1 ms 時(shí)間窗內(nèi)，故障電流的變化量的最大值小于0.4 kA。為保障保護(hù)方案的正確動(dòng)作，考慮區(qū)外近端雙極短路故障并取krel=1.3，式（17）可簡(jiǎn)化為：

若存在多直流饋線(xiàn)的情況，故障后的等效電路如附錄A 圖A5 所示，可通過(guò)對(duì)回路方程的求解分析故障后的故障電流變化，用于保護(hù)整定值的計(jì)算，考慮直流區(qū)外發(fā)生最嚴(yán)重故障的情況，并選取可靠性系數(shù)，保障保護(hù)方案能夠可靠識(shí)別故障。

MMC3 采用定直流電壓和無(wú)功功率的控制模式，在對(duì)MMC3 進(jìn)行整定時(shí)主要考慮直流側(cè)正向區(qū)外故障下ΔEcon的最大值，根據(jù)式（13），其整定值應(yīng)滿(mǎn)足：

同理，可根據(jù)故障后的電流變化大小簡(jiǎn)化式（20），結(jié)果如下：

2.2 故障選極原理

真雙極結(jié)構(gòu)的柔性直流電網(wǎng)在一極發(fā)生故障時(shí)，健全極受到的影響較小，仍然能夠正常工作。因此，健全極的換流器的控制信號(hào)的波動(dòng)相對(duì)于故障極要小很多，故障極的控制信號(hào)暫態(tài)能量遠(yuǎn)大于健全極。雙極故障時(shí)，兩極對(duì)應(yīng)的換流器的控制信號(hào)均會(huì)產(chǎn)生較大波動(dòng)，由于真雙極結(jié)構(gòu)處于對(duì)稱(chēng)運(yùn)行狀態(tài)，此時(shí)兩極的換流器的控制信號(hào)的暫態(tài)能量基本相同。因此，可以根據(jù)上述原理構(gòu)建直流故障選型的判據(jù)，定義正負(fù)極控制信號(hào)的暫態(tài)能量比p為：

式中：ΔEcon，p和ΔEcon，n分別為正極和負(fù)極換流器控制信號(hào)的暫態(tài)能量。

根據(jù)上述分析，直流雙極故障時(shí)p基本為1，正極故障時(shí)p遠(yuǎn)大于1，負(fù)極故障時(shí)p遠(yuǎn)小于1。設(shè)閾值pset1=2、pset2=0.5，故障選極判據(jù)可表示為：p＞pset1時(shí)為正極故障；p＜pset2時(shí)為負(fù)極故障；pset1≥p≥pset2時(shí)為雙極故障。

2.3 保護(hù)方案

根據(jù)上述原理設(shè)計(jì)的故障識(shí)別邏輯和保護(hù)方案分別如圖3 和附錄A 圖A7 所示。該方案采用直流電壓變化率作為啟動(dòng)判據(jù)，并獲取換流器直軸電流控制信號(hào)，利用該控制信號(hào)求取暫態(tài)能量。同時(shí)，采用換流器控制參數(shù)計(jì)算保護(hù)的整定值，將控制信號(hào)暫態(tài)能量與整定值進(jìn)行比較來(lái)識(shí)別直流區(qū)內(nèi)外故障，并利用正極和負(fù)極暫態(tài)能量比進(jìn)行故障類(lèi)型的判別。

圖3 故障識(shí)別邏輯圖Fig.3 Logic diagram of fault identification

3 仿真驗(yàn)證

為驗(yàn)證本文所提保護(hù)的性能，在PSCAD/EMTDC 仿真軟件中搭建了如附錄A 圖A3 所示的四端柔性直流電網(wǎng)模型，采樣頻率為20 kHz。該系統(tǒng)為對(duì)稱(chēng)雙極系統(tǒng)，其子模塊采用半橋型結(jié)構(gòu)，并在線(xiàn)路兩側(cè)裝有高壓直流斷路器以快速切除故障。根據(jù)式（19）和式（21）得到直流側(cè)區(qū)內(nèi)外故障識(shí)別的整定值為：Eset1=38.25 kA2?ms，Eset3=1 163.365 kA2?ms。

3.1 直流區(qū)內(nèi)故障

3.1.1 正極接地故障

故障發(fā)生在t=2 s 時(shí)，當(dāng)線(xiàn)路13 中點(diǎn)發(fā)生正極接地故障時(shí)，MMC1 和MMC3 故障后的仿真結(jié)果如圖4 所示。正極接地故障下的暫態(tài)能量值均越過(guò)閾值，選極判據(jù)也遠(yuǎn)大于1，保護(hù)判定為正極區(qū)內(nèi)故障。

圖4 區(qū)內(nèi)正極接地故障仿真圖Fig.4 Simulation diagrams of positive pole internal grounding fault

3.1.2 雙極短路故障

當(dāng)線(xiàn)路13 中點(diǎn)發(fā)生雙極短路故障時(shí)，控制信號(hào)的仿真結(jié)果如圖5 所示。由圖5 可見(jiàn)，在區(qū)內(nèi)雙極故障的情況下，線(xiàn)路兩側(cè)的換流器控制信號(hào)的暫態(tài)能量均越過(guò)了整定的閾值，此時(shí)保護(hù)判定為直流側(cè)的區(qū)內(nèi)的故障。選極判據(jù)p在故障后的值基本為1，保護(hù)識(shí)別故障類(lèi)型為雙極故障。

圖5 區(qū)內(nèi)雙極短路故障仿真圖Fig.5 Simulation diagrams of bipolar internal short-circuit fault

3.2 直流區(qū)外故障

如附錄A 圖A8 所示，正向區(qū)外發(fā)生雙極故障時(shí)，MMC3 側(cè)的ΔEcon3越過(guò)整定值，MMC1 側(cè)的ΔEcon1未越過(guò)整定值，保護(hù)識(shí)別故障為區(qū)外故障。反向區(qū)外發(fā)生雙極短路故障時(shí)，MMC1 側(cè)的暫態(tài)能量值大于整定值，MMC3 側(cè)的暫態(tài)能量值小于整定值，保護(hù)識(shí)別為區(qū)外故障。由于區(qū)外雙極故障相較單極接地故障是更嚴(yán)重的故障，同條件下的單極接地故障下暫態(tài)能量值會(huì)更小，區(qū)外單極接地故障時(shí)保護(hù)不會(huì)誤動(dòng)作。

3.3 過(guò)渡電阻和故障距離對(duì)保護(hù)影響分析

為驗(yàn)證保護(hù)對(duì)不同過(guò)渡電阻和故障距離的適應(yīng)性，在直流線(xiàn)路上設(shè)置了不同位置的故障，并驗(yàn)證保護(hù)在300 Ω 的過(guò)渡電阻情況下的動(dòng)作正確性，仿真結(jié)果如附錄A 圖A9 所示。由圖可見(jiàn)，區(qū)內(nèi)單極接地和雙極短路故障時(shí)，在不同的故障位置和過(guò)渡電阻的情況下，線(xiàn)路兩側(cè)換流器控制信號(hào)的暫態(tài)能量均大于各自的閾值，保護(hù)均識(shí)別為直流區(qū)內(nèi)故障。暫態(tài)能量的值會(huì)隨著過(guò)渡電阻的增大而減小，當(dāng)過(guò)渡電阻為300 Ω 時(shí)，區(qū)內(nèi)故障下的最小值仍然大于區(qū)外故障下的最大值，保護(hù)能夠正確動(dòng)作。因此，該保護(hù)具有較強(qiáng)的耐受過(guò)渡電阻能力。由于在整定值選取時(shí)考慮了區(qū)外故障的最大值，區(qū)內(nèi)不同位置故障下的暫態(tài)能量均大于閾值，保護(hù)均能正確動(dòng)作，并且均具有較高的靈敏性。

3.4 通信延時(shí)對(duì)保護(hù)影響分析

柔性直流輸電系統(tǒng)換流站兩端可采用專(zhuān)用光纖通道進(jìn)行信號(hào)傳輸，光纖中信號(hào)的傳輸?shù)乃俣却蠹s為4.9 μs/km［18］。張北柔性直流系統(tǒng)中，最長(zhǎng)線(xiàn)路長(zhǎng)度約為217 km，因此兩側(cè)換流站的通信延時(shí)約為1 ms。本文所提保護(hù)采用1 ms 的時(shí)間窗，因此在考慮延時(shí)的基礎(chǔ)上，保護(hù)動(dòng)作時(shí)間也滿(mǎn)足柔性直流輸電故障檢測(cè)的要求。

3.5 功率波動(dòng)對(duì)保護(hù)影響分析

柔性直流系統(tǒng)運(yùn)行方式靈活，因此有必要分析功率或潮流的變化對(duì)保護(hù)的影響。功率波動(dòng)與高阻故障的特征較相似，附錄A 圖A10 為施加功率擾動(dòng)后和直流區(qū)內(nèi)正極經(jīng)300 Ω 高阻故障后的換流站有功功率波動(dòng)以及直流電壓變化圖。由圖可見(jiàn)，施加1/3 額定功率大小的擾動(dòng)后，MMC1 出口側(cè)功率波動(dòng)幅值差為600 MW，MMC3 出口側(cè)的功率波動(dòng)幅值差為1 000 MW。由于MMC3 換流站中采用了定直流電壓的控制模式，在功率擾動(dòng)的情況下，系統(tǒng)會(huì)基本維持電壓的穩(wěn)定，直流側(cè)電壓基本維持不變，而在高阻故障情況下直流電壓變化較大。附錄A 圖A11 所示為加入功率擾動(dòng)后的控制信號(hào)暫態(tài)能量值，由圖可見(jiàn)，此時(shí)線(xiàn)路兩側(cè)換流器控制信號(hào)暫態(tài)能量值均小于整定值，保護(hù)不會(huì)誤動(dòng)作。主要原因是采用定有功功率策略的換流器MMC1 中存在著對(duì)功率偏差的PI 調(diào)節(jié)環(huán)節(jié)，對(duì)功率波動(dòng)信號(hào)有一定的抑制作用，此時(shí)得到的控制信號(hào)變化較??；采用定直流電壓控制策略的換流器MMC3 在功率波動(dòng)的情況下能維持電壓基本穩(wěn)定。因此，根據(jù)式（2），此時(shí)換流器MMC3 內(nèi)的控制信號(hào)的變化較小，所得到的控制信號(hào)暫態(tài)能量值較小，不會(huì)使保護(hù)誤動(dòng)。綜上，本文在1/3 額定功率擾動(dòng)下能夠維持系統(tǒng)穩(wěn)定，電壓波動(dòng)小，不會(huì)出現(xiàn)誤動(dòng)作，而對(duì)于300 Ω 過(guò)渡電阻的故障，電壓波動(dòng)較大，保護(hù)能夠正確動(dòng)作。因此，功率波動(dòng)對(duì)本保護(hù)方案的影響較小，保護(hù)能夠較可靠地區(qū)分功率波動(dòng)和高阻故障。

3.6 交流側(cè)故障對(duì)保護(hù)影響分析

換流器的控制策略中包含了交流側(cè)的功率信息，因此，交流側(cè)故障換流器的控制信號(hào)也會(huì)隨之受到影響。交流側(cè)故障不能形成類(lèi)似于直流側(cè)的放電回路，故障后短時(shí)間內(nèi)電流的變化緩慢，換流器端口的電壓基本不變［19］。因此，在定有功功率控制下，交流故障后短時(shí)間內(nèi)的控制信號(hào)不受直流電壓調(diào)節(jié)環(huán)節(jié)的影響，此時(shí)式（1）可簡(jiǎn)化為：

式中：Δp為有功功率的變化量。

在電網(wǎng)出現(xiàn)有功功率供需不平衡時(shí)，電網(wǎng)缺乏慣性和阻尼會(huì)導(dǎo)致?lián)Q流器的控制無(wú)法像傳統(tǒng)的同步發(fā)電機(jī)那樣利用轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量來(lái)抑制電網(wǎng)頻率的波動(dòng)［20］。因此，可利用虛擬同步發(fā)電機(jī)技術(shù)在動(dòng)態(tài)情況下為電網(wǎng)提供相應(yīng)的慣性支撐，從而改善變流器響應(yīng)特性，實(shí)際的同步發(fā)電機(jī)一般為欠阻尼系統(tǒng)，因此在有功功率的測(cè)量環(huán)節(jié)加入一個(gè)二階的欠阻尼系統(tǒng)來(lái)使換流器從運(yùn)行機(jī)制上與同步發(fā)電機(jī)相似［21］。換流器模型的有功測(cè)量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如附錄A圖A12（a）所示，以交流側(cè)三相故障為例，有功功率經(jīng)過(guò)二階欠阻尼系統(tǒng)后的變化如圖A12（b）所示。由圖A12 可見(jiàn)，在交流側(cè)故障的初始階段，采用虛擬同步發(fā)電機(jī)控制參與電網(wǎng)的動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)能夠大幅減小有功功率的跌落，有利于系統(tǒng)的穩(wěn)定調(diào)節(jié)。根據(jù)式（24），有功功率測(cè)量值跌落小使得控制信號(hào)Id，ref的變化量小，此時(shí)線(xiàn)路兩側(cè)的暫態(tài)能量均小于整定值，保護(hù)不會(huì)誤動(dòng)作。交流側(cè)三相短路故障時(shí)的仿真結(jié)果如附錄A 圖A13 所示，線(xiàn)路兩端的換流器的ΔEcon均小于閾值，保護(hù)不會(huì)誤動(dòng)作。

3.7 噪聲對(duì)保護(hù)影響分析

考慮到噪聲可能會(huì)對(duì)保護(hù)產(chǎn)生一定的影響，為驗(yàn)證該保護(hù)的抗噪聲能力，本文在換流器控制信號(hào)中加入不同信噪比的噪聲來(lái)進(jìn)行分析。區(qū)內(nèi)正極接地故障情況下加入20 dB 噪聲的仿真波形如附錄A圖A14（a）所示。

附錄A 表A3 給出了不同信噪比下的故障仿真結(jié)果。由表A3 可知，在不同的信噪比的噪聲情況下保護(hù)均不會(huì)誤動(dòng)作，具有較高的靈敏性。附錄A圖A14（b）顯示在有噪聲和無(wú)噪聲情況下的暫態(tài)能量值相差較小，這是因?yàn)樵肼暈楦哳l的正負(fù)波動(dòng)信號(hào)，其期望值為零［3］，暫態(tài)能量的計(jì)算采用的是積分的形式，可以在很大程度上消除噪聲對(duì)于保護(hù)的影響，因此本保護(hù)具有較強(qiáng)的抗噪聲能力。

3.8 換流器控制參數(shù)對(duì)保護(hù)影響分析

本文的保護(hù)方案利用了換流器的控制信號(hào)，并且整定值的計(jì)算與換流器的控制參數(shù)有關(guān)，因此需要研究不同的控制參數(shù)對(duì)于保護(hù)的影響。由于保護(hù)整定值需要考慮躲開(kāi)最不利故障情況下的值，因此本節(jié)以區(qū)內(nèi)末端的經(jīng)300 Ω 的正極接地故障和區(qū)外的首端過(guò)渡電阻為0 的雙極故障為例進(jìn)行分析，研究保護(hù)對(duì)不同的控制參數(shù)的適應(yīng)性，仿真結(jié)果如附錄A 圖A15 所示。

控制參數(shù)變化時(shí)，換流器的控制信號(hào)暫態(tài)能量也會(huì)變化，保護(hù)的整定值也隨之變化。由附錄A 圖A15 可見(jiàn)，在不同的控制參數(shù)下，區(qū)內(nèi)經(jīng)300 Ω 的故障的控制信號(hào)暫態(tài)能量最小值均大于整定值，同時(shí)整定值大于區(qū)外故障的最大值，保護(hù)的整定值能隨控制參數(shù)的變化而自適應(yīng)變化，均能夠正確、可靠動(dòng)作。

4 不同方案對(duì)比分析

通過(guò)與不同保護(hù)方案的對(duì)比分析，可以驗(yàn)證本文所提保護(hù)的優(yōu)勢(shì)。

文獻(xiàn)［22］介紹了基于極模波和地模波變化率來(lái)識(shí)別故障的ABB 行波保護(hù)原理，與本文所提保護(hù)方案的對(duì)比結(jié)果如附錄A 表A4 所示。由表A4 可見(jiàn)，行波保護(hù)在直流正極經(jīng)200 Ω 過(guò)渡電阻故障下會(huì)拒動(dòng)，保護(hù)耐受過(guò)渡電阻能力差，并且由于采用極模波和地模波變化率識(shí)別故障，保護(hù)在20 dB 的噪聲下會(huì)不正確動(dòng)作，保護(hù)的抗噪聲能力較差。由于極模波和地模波會(huì)受到功率波動(dòng)的影響，因此ABB行波保護(hù)的方案受功率波動(dòng)的影響較大。本文所提保護(hù)在抗噪聲能力、耐受過(guò)渡電阻能力、保護(hù)動(dòng)作靈敏性以及受功率波動(dòng)影響程度上均優(yōu)于A(yíng)BB 行波保護(hù)方案。

文獻(xiàn)［11］提出了基于主動(dòng)探測(cè)式的縱聯(lián)保護(hù)原理，利用MMC 的高可控性控制直流電壓參考值，在換流站端口注入相同頻率的正弦式故障探測(cè)信號(hào)檢測(cè)故障。附錄A 表A4 展示了文獻(xiàn)［11］所提保護(hù)與本文保護(hù)方案的對(duì)比，可知文獻(xiàn)［11］的保護(hù)方案在100 Ω 故障電阻和30 dB 的噪聲下能夠正確動(dòng)作。本文所提保護(hù)方案在300 Ω 故障電阻和20 dB 的噪聲下能夠可靠識(shí)別故障并具有較好的靈敏性，耐受過(guò)渡電阻和抗噪聲能力強(qiáng)。文獻(xiàn)［11］中方案需要注入100 Hz 特征信號(hào)，因此保護(hù)速動(dòng)性有待提升，保護(hù)動(dòng)作時(shí)間在10 ms 以上。而本文所提保護(hù)方案無(wú)須注入特征信號(hào)，并且故障識(shí)別時(shí)間在3 ms 以?xún)?nèi)，滿(mǎn)足柔性直流輸電保護(hù)動(dòng)作時(shí)間的要求。

文獻(xiàn)［23］中提出了利用邊界限流電抗器電壓構(gòu)建保護(hù)方案，采用故障后的電抗器電壓大小識(shí)別故障類(lèi)型，通過(guò)附錄A 表A4 可知，文獻(xiàn)［23］的保護(hù)方案在區(qū)內(nèi)正極經(jīng)200 Ω 過(guò)渡電阻故障下會(huì)拒動(dòng)，保護(hù)耐受過(guò)渡電阻能力較差，本文所提保護(hù)方案的耐受過(guò)渡電阻能力強(qiáng)，并且在靈敏性上優(yōu)于文獻(xiàn)［23］提出的保護(hù)方案。

5 結(jié)語(yǔ)

柔性直流電網(wǎng)的控制和保護(hù)是密不可分的，本文分析了不同故障下的換流器控制信號(hào)的特征，提出一種基于換流器外環(huán)功率控制特性的柔性直流線(xiàn)路保護(hù)方案。該方案具有如下特點(diǎn)：

1）該方案考慮控制信號(hào)故障暫態(tài)特征，利用換流器的控制信號(hào)的快速響應(yīng)能力進(jìn)行故障識(shí)別，結(jié)合換流器的控制信息，無(wú)須測(cè)量線(xiàn)路上的電氣量且無(wú)須額外增加設(shè)備，實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，利于保護(hù)控制的集成設(shè)計(jì)；

2）該方案能實(shí)現(xiàn)在換流器控制策略切換和控制參數(shù)改變情況下的自適應(yīng)保護(hù)，可靠性較高；

3）該方案能在不同的故障條件下正確動(dòng)作，受過(guò)渡電阻、故障距離、功率波動(dòng)、交流故障以及噪聲的影響較小。

本文研究需要進(jìn)一步分析控制對(duì)保護(hù)的影響，在后續(xù)的研究中，需要從多方面進(jìn)一步深入研究故障與控制信號(hào)的對(duì)應(yīng)關(guān)系。

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