鄭 濤，莊心怡，呂文軒

（新能源電力系統(tǒng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（華北電力大學(xué)）,北京市 102206）

0 引言

海上風(fēng)電可大容量、大規(guī)模開發(fā),傳輸方式更靈活,是可再生能源發(fā)電的重要組成部分［1］。預(yù)計(jì)到2035 年,中國(guó)海上風(fēng)電裝機(jī)容量將達(dá)到130 GW,發(fā)展?jié)摿薮螅?］。柔性直流（以下簡(jiǎn)稱柔直）輸電技術(shù)不存在換相失敗問題,能夠獨(dú)立調(diào)節(jié)有功功率和無功功率,是遠(yuǎn)距離海上風(fēng)電并網(wǎng)的首要選擇［3-5］。

換流器是海上風(fēng)電經(jīng)柔直送出系統(tǒng)中的核心設(shè)備,其中模塊化多電平換流器（modular multilevel converter,MMC）在柔直輸電技術(shù)中有著廣泛的應(yīng)用［3］。目前,對(duì)MMC 的基本結(jié)構(gòu)、工作原理、調(diào)制策略與穩(wěn)態(tài)控制策略的研究均已較為成熟。而在MMC 交流故障穿越控制策略方面,現(xiàn)有研究主要集中在負(fù)序分量的控制上。文獻(xiàn)［6］提出了負(fù)序電壓的動(dòng)態(tài)控制,避免了遠(yuǎn)距離非對(duì)稱交流故障下非故障相的過電壓現(xiàn)象。文獻(xiàn)［7］基于MMC 的數(shù)學(xué)模型設(shè)計(jì)了正、負(fù)序電流解耦控制器,以抑制負(fù)序電流并對(duì)有功功率波動(dòng)進(jìn)行限幅控制。文獻(xiàn)［8］提出采用風(fēng)電網(wǎng)側(cè)換流器抑制負(fù)序電流的方式消除濾波器處的振蕩,減小直流側(cè)電壓電流波動(dòng)。然而,負(fù)序電流抑制的控制策略會(huì)影響交流線路故障特征,文獻(xiàn)［9-10］分析了負(fù)序電流抑制策略下非對(duì)稱故障時(shí)交流電網(wǎng)的故障特征,但并未進(jìn)一步考慮其對(duì)交流線路保護(hù)動(dòng)作性能的影響。文獻(xiàn)［11］初步分析了交流匯集線路兩側(cè)換流器采用負(fù)序電流抑制策略對(duì)距離保護(hù)的影響。文獻(xiàn)［12］則指出線路兩側(cè)換流器均采取負(fù)序電流抑制策略時(shí),以電流量為特征量的交流保護(hù)可能出現(xiàn)誤動(dòng)或拒動(dòng),因此提出在交流側(cè)故障期間給換流設(shè)備注入一定的負(fù)序電流,但并未對(duì)其開展進(jìn)一步研究。文獻(xiàn)［13］的分析表明僅海上MMC 換流站注入負(fù)序電流時(shí),線路兩側(cè)電流產(chǎn)生相角差,為距離保護(hù)、電流差動(dòng)保護(hù)、零序電流保護(hù)均帶來了一定誤動(dòng)風(fēng)險(xiǎn),但并未進(jìn)行負(fù)序電流取值與保護(hù)可靠性的定量分析。綜上所述,對(duì)于海上風(fēng)電交流匯集線路,線路上的工頻量交流保護(hù)的可靠性與換流器負(fù)序控制參考值大小密切相關(guān),然而目前尚未有相關(guān)研究定量分析保護(hù)動(dòng)作性能與負(fù)序控制參考值的關(guān)系,缺乏對(duì)負(fù)序控制參考值選取的理論分析。

針對(duì)上述問題,本文以兩側(cè)均為電力電子換流器的海上風(fēng)電交流匯集線路為研究對(duì)象,結(jié)合換流器的負(fù)序控制策略,提出基于控保協(xié)同原理的海上MMC 負(fù)序控制參考值選取原則,同時(shí)綜合考慮負(fù)序電流注入對(duì)交流匯集線路非故障相電壓的影響,通過調(diào)整負(fù)序電流的大小,降低了線路的過電壓風(fēng)險(xiǎn)。最后,在PSCAD/EMTDC 中建立了海上風(fēng)電場(chǎng)經(jīng)柔直送出系統(tǒng)的電磁暫態(tài)仿真模型,大量仿真驗(yàn)證了所提負(fù)序控制參考值選取原則的正確性和可行性。

1 海上風(fēng)電交流匯集系統(tǒng)及其故障等效電路

本文采用的換流器控制策略配置如圖1 所示。正常運(yùn)行時(shí),直驅(qū)風(fēng)機(jī)網(wǎng)側(cè)換流器正序電流控制環(huán)的參考值由外環(huán)有功功率Ps與無功功率Qs控制給定［3］,負(fù)序電流控制環(huán)采用負(fù)序電流抑制策略；當(dāng)海上交流匯集線路發(fā)生不對(duì)稱故障時(shí),風(fēng)機(jī)網(wǎng)側(cè)換流器僅采用內(nèi)環(huán)電流控制,其正序電流參考值由風(fēng)機(jī)輸出瞬時(shí)功率反饋量計(jì)算得到［14］,負(fù)序電流參考值為0。對(duì)于海上MMC,正序電流控制環(huán)采用定電壓控制策略,負(fù)序電流控制環(huán)采取負(fù)序電流抑制策略,正常運(yùn)行時(shí)換流器負(fù)序電流參考值設(shè)定為0；當(dāng)海上風(fēng)電交流匯集線路發(fā)生不對(duì)稱故障時(shí),通過改變換流器負(fù)序電流參考值向線路中注入負(fù)序電流以控制故障電流的大小。

圖1 經(jīng)柔直送出的海上風(fēng)電交流匯集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.1 Topology of offshore wind power AC transmission system through flexible DC

當(dāng)海上風(fēng)電交流匯集線路發(fā)生單相接地故障時(shí),根據(jù)對(duì)稱分量法,系統(tǒng)的序網(wǎng)結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

圖2 單相接地故障等效序網(wǎng)Fig.2 Equivalent sequence network of single-phase-to-ground fault

2 海上風(fēng)電交流匯集線路差動(dòng)保護(hù)適應(yīng)性分析

海上風(fēng)電交流匯集線路常用的保護(hù)包括距離保護(hù)、差動(dòng)保護(hù)、零序電流保護(hù)等［18-21］,其中,差動(dòng)保護(hù)可以快速區(qū)分區(qū)內(nèi)外故障,是交流匯集線路保護(hù)中的重要方式,因此本文選取差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作性能作為考慮負(fù)序控制參考值的參考尺度。本章以海上風(fēng)電交流匯集線路上發(fā)生單相接地短路故障為例,進(jìn)行典型負(fù)序控制策略下差動(dòng)保護(hù)適應(yīng)性分析。

對(duì)于海上交流匯集線路,比率制動(dòng)式電流差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作特性方程為:

當(dāng)海上風(fēng)電交流匯集線路發(fā)生相間短路或兩相短路接地故障時(shí),差動(dòng)保護(hù)適應(yīng)性分析方法與單相接地故障相似,此處不再贅述。

3 基于海上交流匯集線路差動(dòng)保護(hù)性能及過電壓抑制的負(fù)序控制參考值選取

如第2 章所述,海上交流匯集線路兩側(cè)換流器采取負(fù)序電流控制策略,導(dǎo)致線路中故障特征改變,差動(dòng)電流與制動(dòng)電流大小關(guān)系不定,電流差動(dòng)保護(hù)存在一定拒動(dòng)風(fēng)險(xiǎn)。針對(duì)此問題,本章對(duì)不同負(fù)序參考值下差動(dòng)保護(hù)的動(dòng)作性能進(jìn)行討論,進(jìn)而得出提高差動(dòng)保護(hù)可靠性的負(fù)序電流參考值取值。此外,進(jìn)一步考慮了負(fù)序控制參考值對(duì)交流匯集線路過電壓水平的影響,最終確定了負(fù)序參考值綜合選取原則。

直驅(qū)風(fēng)機(jī)運(yùn)行環(huán)境復(fù)雜,換流器負(fù)序分量電流的注入會(huì)使得直驅(qū)風(fēng)機(jī)換流器直流側(cè)產(chǎn)生二次諧波,進(jìn)而導(dǎo)致輸出有功功率不平衡［22-24］。因此,為了保證并網(wǎng)風(fēng)機(jī)的運(yùn)行性能,直驅(qū)風(fēng)機(jī)網(wǎng)側(cè)換流器常采用抑制負(fù)序電流為0 的控制方式。本文僅討論海上MMC 換流站的負(fù)序控制參考值取值。此外,對(duì)于工頻量交流保護(hù),可以認(rèn)為實(shí)際注入的負(fù)序電流等于給定的參考值。

3.1 基于差動(dòng)保護(hù)性能提升的負(fù)序控制參考值選取

由上述分析得到的單相接地故障下差動(dòng)電流與制動(dòng)電流表達(dá)式,對(duì)海上MMC 換流站注入負(fù)序電流的取值進(jìn)行討論:

其中,I?+MMC是受交流匯集線路兩側(cè)換流器故障穿越控制策略、負(fù)序控制電流參考值、線路等效參數(shù)影響的海上MMC 的正序電流故障分量,其解析表達(dá)式及推導(dǎo)過程詳見附錄B。

由于交流匯集線路不同位置發(fā)生故障時(shí),故障點(diǎn)兩側(cè)的線路等效阻抗不同,致使海上MMC 提供的正序電流I?+MMC大小不盡相同,導(dǎo)致如式（7）所示制動(dòng)電流的大小發(fā)生變化,而差動(dòng)電流不變,從而影響差動(dòng)保護(hù)比率制動(dòng)系數(shù)K的大小。以線路中點(diǎn)處發(fā)生單相接地故障為例,對(duì)注入負(fù)序電流的取值與差動(dòng)保護(hù)制動(dòng)系數(shù)間的關(guān)系進(jìn)行分析,其結(jié)果見附錄B 圖B1。

根據(jù)式（3）所示差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作特性方程可知,當(dāng)滿足如式（8）所示保護(hù)動(dòng)作條件時(shí),差動(dòng)保護(hù)可以正確動(dòng)作。

同理,以10%的故障位置間隔依次計(jì)算得到的各類故障下能夠保證差動(dòng)保護(hù)正確動(dòng)作的負(fù)序電流的參考值取值范圍如表1 所示。

表1 不同故障位置及故障類型下保證差動(dòng)保護(hù)正確動(dòng)作的負(fù)序電流參考值Table 1 Reference values of negative sequence current for ensuring reliable operation of differential protection with different fault locations and fault types

根據(jù)表1 所示結(jié)果,為保證交流匯集線路中任意位置發(fā)生任何不對(duì)稱故障時(shí)電流差動(dòng)保護(hù)均能正確動(dòng)作,負(fù)序電流的參考值取值范圍為:

3.2 基于線路過電壓抑制的負(fù)序控制參考值選取

對(duì)于海上風(fēng)電交流匯集線路,兩側(cè)換流器的控制策略不僅影響保護(hù)性能,也會(huì)影響海上交流匯集線路的電壓水平。在海上交流匯集線路兩側(cè)換流器均抑制負(fù)序電流的控制策略下,海上交流匯集線路發(fā)生單相接地故障時(shí)交流線路非故障相電壓為額定電壓的 3 倍［25］。本文以不對(duì)稱故障時(shí)MMC 出口側(cè)交流線路非故障相電壓不超過其額定電壓的120%作為抑制電壓的控制目標(biāo)［12］。

圖1 所示海上交流匯集線路發(fā)生a 相接地故障時(shí),MMC 出口側(cè)交流線路非故障相電壓E?bMMC（以b相為例）可以表示為:

式中:α為序分量分解中的旋轉(zhuǎn)因子。

根據(jù)式（10）所示,MMC 非故障相電壓與MMC正序電壓、注入負(fù)序電流、過渡電阻有關(guān),推導(dǎo)過程見附錄C?；谑剑?0）,隨著MMC 注入負(fù)序電流變化,交流匯集線路中點(diǎn)處發(fā)生單相接地故障時(shí)交流線路非故障相電壓幅值見附錄C 圖C1?？梢杂行б种七^電壓水平的負(fù)序電流取值為:IM-MC∈[0.148,0.399]。

同理,對(duì)線路不同位置發(fā)生不對(duì)稱故障進(jìn)行計(jì)算分析,結(jié)合表1 中使差動(dòng)保護(hù)正確動(dòng)作的負(fù)序電流參考值取值范圍,最終得到在差動(dòng)保護(hù)正確動(dòng)作的前提下能夠有效抑制交流過電壓水平的負(fù)序電流參考值綜合取值范圍如表2 所示。

表2 不同位置及故障類型下負(fù)序電流參考值Table 2 References of negative sequence current with different locations and fault types

根據(jù)表2 可以得到綜合考慮差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作性能與線路過電壓水平的負(fù)序電流參考值取值范圍為:

4 仿真驗(yàn)證

在PSCAD/EMTDC 中建立如圖1 所示的海上風(fēng)電場(chǎng)交流匯集系統(tǒng),系統(tǒng)的詳細(xì)參數(shù)如表3 所示。故障位置設(shè)置在海上交流匯集線路中點(diǎn)處,故障開始時(shí)間為1.5 s。測(cè)點(diǎn)位置在220 kV 線路兩側(cè)。以下分析中將理論計(jì)算值與仿真值進(jìn)行對(duì)比,理論值從故障開始時(shí)刻（1.5 s）進(jìn)行計(jì)算。

表3 仿真模型參數(shù)Table 3 Parameters of simulation model

4.1 單相接地故障

線路中點(diǎn)處發(fā)生單相接地故障時(shí),令MMC 注入0.1 p.u.的負(fù)序電流,仿真結(jié)果如圖3 所示。

圖3 線路中點(diǎn)發(fā)生單相接地故障時(shí)換流器輸出故障電流及其序分量Fig.3 Fault current output of converters and its sequence component when single-phase-to-ground fault occurs at middle of line

由于直驅(qū)風(fēng)機(jī)網(wǎng)側(cè)換流器采用將負(fù)序電流抑制為0 的控制方式,換流器短路電流中不含負(fù)序分量,正序分量可以通過附錄B 中所示方法計(jì)算得到,最終故障相短路電流計(jì)算結(jié)果與仿真結(jié)果如圖3（a）所示。對(duì)于海上MMC,故障后采用負(fù)序電流注入的故障穿越策略,提供了負(fù)序回路。因此,MMC 網(wǎng)側(cè)電流包含正序、負(fù)序、零序分量,其正序電流的計(jì)算方式與風(fēng)機(jī)網(wǎng)側(cè)正序電流相同,不再贅述,最終計(jì)算結(jié)果與仿真結(jié)果如圖3（b）所示,計(jì)算結(jié)果與仿真電流誤差波形見附錄D 圖D1。計(jì)算結(jié)果與仿真結(jié)果基本一致,理論分析的計(jì)算值基本可以準(zhǔn)確刻畫換流器故障后的電流特征,其誤差在5%以內(nèi),從而驗(yàn)證了短路電流計(jì)算的正確性。

圖3（c）、（d）所 示 是 風(fēng) 機(jī) 網(wǎng) 側(cè) 換 流 器 與 海 上MMC 網(wǎng)側(cè)序分量電流仿真結(jié)果。如前所述,風(fēng)機(jī)網(wǎng)側(cè)換流器網(wǎng)側(cè)僅含正序、零序分量,海上MMC 網(wǎng)側(cè)包含正、負(fù)、零序分量。

圖4 為線路中點(diǎn)處發(fā)生單相接地故障時(shí)差動(dòng)保護(hù)制動(dòng)系數(shù)示意圖。圖4（a）為注入負(fù)序電流為0.1 p.u.時(shí)的制動(dòng)系數(shù),該負(fù)序電流取值不在式（9）所示范圍內(nèi),差動(dòng)保護(hù)拒動(dòng)。根據(jù)式（9）所示范圍,取注入負(fù)序電流為0.25 p.u.,此時(shí)差動(dòng)保護(hù)制動(dòng)系數(shù)如圖4（b）所示,保護(hù)性能相較于注入0.1 p.u.的負(fù)序電流時(shí)有明顯提升。

圖4 不同負(fù)序參考值下線路中點(diǎn)處發(fā)生單相接地故障時(shí)的差動(dòng)保護(hù)制動(dòng)系數(shù)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.的負(fù)序電流時(shí),過渡電阻為10 Ω 與過渡電阻為50 Ω 情況下的差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作性能仿真結(jié)果見附錄D 圖D2。根據(jù)圖D2 所示結(jié)果,過渡電阻的存在并不會(huì)影響差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作性能,進(jìn)一步證明了本文選取負(fù)序電流范圍的合理性。

單相接地故障時(shí),MMC 注入0.25 p.u.的負(fù)序電流,電流信號(hào)中添加信噪比為30 dB 的白噪聲時(shí)的差動(dòng)保護(hù)制動(dòng)系數(shù)波形見附錄D 圖D3。添加噪聲前后,電流差動(dòng)保護(hù)性能出現(xiàn)波動(dòng),但在該負(fù)序參考值下依然能夠可靠動(dòng)作,證明了本文所提出的負(fù)序電流參考值選取原則不受噪聲的影響。

表4 所示為不同負(fù)序參考值下線路不同位置發(fā)生單相接地故障時(shí)的差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作情況。由式（9）可知,當(dāng)注入0.1 p.u.的負(fù)序電流時(shí),差動(dòng)保護(hù)無法正確動(dòng)作；當(dāng)注入0.239 p.u.和0.25 p.u.的負(fù)序電流時(shí),差動(dòng)保護(hù)均可以正確動(dòng)作,再次驗(yàn)證了式（9）所示的負(fù)序控制參考值取值范圍的正確性。

表4 不同位置及負(fù)序參考值下單相接地故障差動(dòng)保護(hù)制動(dòng)系數(shù)及動(dòng)作情況Table 4 Differential protection restraint coefficients and operation of single-phase grounding fault with different locations and negative sequence references

圖5 為海上MMC 出口側(cè)線路電壓波形,其中圖5（a）為注入0.1 p.u.的負(fù)序電流時(shí)線路非故障相電壓波形,故障后c 相有明顯的過電壓現(xiàn)象。根據(jù)式（11）所示范圍,取注入負(fù)序電流為0.25 p.u.,此時(shí)線路非故障相電壓波形如圖5（b）所示,該取值可以有效降低過電壓水平。

圖 5 線路中點(diǎn)處單相接地故障時(shí)線路非故障相電壓波形Fig.5 Voltage waveforms of healthy phases during single-phase-to-ground fault at middle of line

4.2 相間短路故障

線路中點(diǎn)處發(fā)生相間短路故障時(shí)的差動(dòng)保護(hù)制動(dòng)系數(shù)示意圖見附錄D 圖D4。圖D4（a）所示為注入負(fù)序電流為0.1 p.u.時(shí)的差動(dòng)保護(hù)制動(dòng)系數(shù),該取值不在式（11）所示范圍內(nèi),差動(dòng)保護(hù)拒動(dòng)。取注入負(fù)序電流參考值為0.25 p.u.時(shí)的電流差動(dòng)保護(hù)制動(dòng)系數(shù),如圖D4（b）所示,此時(shí)差動(dòng)保護(hù)性能有明顯提升。

表5 為線路不同位置發(fā)生相間短路故障時(shí)的差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作性能表。根據(jù)式（9）所示取值范圍,取注入負(fù)序電流為0.1 p.u.時(shí),差動(dòng)保護(hù)拒動(dòng)；注入負(fù)序電流為0.239 p.u.與0.25 p.u.時(shí),差動(dòng)保護(hù)可以正確動(dòng)作。

表5 不同故障位置及負(fù)序參考值下相間短路故障差動(dòng)保護(hù)制動(dòng)系數(shù)及動(dòng)作情況Table 5 Differential protection restraint coefficients and performance of protection with different locations of phase-to-phase fault and negative sequence references

相間短路時(shí)海上MMC 換流站出口處線路非故障相電壓波形見附錄D 圖D5,其中圖D5（a）為注入負(fù)序電流為0.1 p.u.時(shí)的線路非故障相電壓波形,注入0.25 p.u.的負(fù)序電流時(shí)線路非故障相電壓波形如圖D5（b）所示,該負(fù)序電流參考值取值有效降低了過電壓水平。

4.3 兩相接地故障

線路中點(diǎn)處發(fā)生兩相接地故障時(shí)差動(dòng)保護(hù)制動(dòng)系數(shù)示意圖見附錄D 圖D6。同理,注入0.25 p.u.的負(fù)序電流時(shí)線路中電流差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作可靠性相較于注入0.1 p.u.的負(fù)序電流時(shí)明顯提升。

表6 為不同負(fù)序參考值下線路不同位置發(fā)生兩相接地故障時(shí)差動(dòng)保護(hù)制動(dòng)系數(shù)及動(dòng)作情況。同理,根據(jù)式（9）所示取值范圍,當(dāng)負(fù)序電流參考值取值為0.1 p.u.時(shí),差動(dòng)保護(hù)拒動(dòng)；而負(fù)序電流參考值取值為0.239 p.u. 與0.25 p.u. 時(shí),差動(dòng)保護(hù)正確動(dòng)作。

表6 不同故障位置及負(fù)序參考值下兩相接地故障差動(dòng)保護(hù)制動(dòng)系數(shù)及動(dòng)作情況Table 6 Differential protection restraint coefficients and performance of protection with different locations of two-phase-to-ground fault and negative sequence references

線路中點(diǎn)發(fā)生兩相接地故障時(shí)海上MMC 換流站出口處線路非故障相電壓波形圖見附錄D 圖D7,其中圖D7（a）為注入0.1 p.u.的負(fù)序電流時(shí)線路非故障相電壓波形,注入負(fù)序電流為0.25 p.u.時(shí)線路非故障相電壓波形如圖D7（b）所示,該負(fù)序電流參考值取值有效降低了過電壓水平。

5 結(jié)語(yǔ)

鑒于海上風(fēng)電交流匯集線路發(fā)生不對(duì)稱故障時(shí)兩側(cè)換流器的控制策略對(duì)繼電保護(hù)性能有重要影響,而目前尚未有研究給出負(fù)序控制電流參考值的選取依據(jù),本文綜合考慮交流線路電流差動(dòng)保護(hù)可靠性與線路非故障相電壓安全兩個(gè)指標(biāo),提出了海上交流匯集線路負(fù)序控制參考值的選取原則,大量仿真驗(yàn)證了不對(duì)稱故障期間本文方案在提升差動(dòng)保護(hù)性能及抑制非故障相過電壓方面的積極作用。主要結(jié)論如下:

1）本文分析了典型控制策略下海上交流匯集線路發(fā)生不對(duì)稱故障時(shí)故障特征及電流差動(dòng)保護(hù)適應(yīng)性。經(jīng)研究發(fā)現(xiàn):當(dāng)兩側(cè)換流器均采取抑制負(fù)序電流的控制策略時(shí),線路故障特征微弱,差動(dòng)保護(hù)易拒動(dòng)；僅一側(cè)換流器注入負(fù)序電流時(shí),有效地凸顯了線路故障特征,從而可以提升差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作性能。

2）基于對(duì)換流器典型控制策略下海上風(fēng)電交流匯集線路故障特征與差動(dòng)保護(hù)適應(yīng)性的分析,本文定量分析了差動(dòng)保護(hù)可靠性與海上MMC 負(fù)序控制參考值間的關(guān)系,進(jìn)而提出了面向差動(dòng)保護(hù)性能提升兼顧交流線路過電壓抑制的海上風(fēng)電換流器負(fù)序控制參考值選取原則。

3）針對(duì)負(fù)序控制電流參考值的設(shè)計(jì)方法可以對(duì)多重影響因素進(jìn)行分析,本文主要計(jì)及差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作性能與過電壓抑制的雙重因素進(jìn)行負(fù)序電流參考值的設(shè)計(jì)選取,而面向多種工頻量保護(hù)動(dòng)作性能提升及不同控制策略影響的多因素負(fù)序控制參考值選取原則仍需要進(jìn)一步研究。

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