基于電壓反行波差異的海上風電低頻輸電海纜縱聯(lián)保護

　　作者：高校平 宋國兵 康小寧 崔 燦 閆吉飛

　　1 低頻輸電系統(tǒng)故障特征有何特殊之處?

　　圖1給出了海上風電低頻輸電系統(tǒng)拓撲，海纜需匯集來自于風電場的電能，并經(jīng)模塊化多電平矩陣換流器(modular multilevel matrix converter，M3C)實現(xiàn)頻率轉(zhuǎn)換，從而在M3C低頻側構成了100%電力電子源場景。相較于同步機系統(tǒng)在負序網(wǎng)絡中源側只體現(xiàn)阻抗特性，低頻輸電系統(tǒng)負序網(wǎng)絡中線路兩側均可體現(xiàn)為電源特性。根據(jù)單相接地故障和兩相相間故障復合序網(wǎng)圖，故障支路電流可由負序電流唯一確定，當M3C和海上風電場網(wǎng)側變流器(grid-side converter, GSC)抑制負序電流時，盡管故障點處存在負序電壓源，但兩側換流器均會生成幅值相位相同的電壓源，以抵消系統(tǒng)中的負序電流，因此系統(tǒng)故障電流仍保持對稱，使得故障支路的穩(wěn)態(tài)電流為0。上述分析表明，雖然風電場升壓變壓器和M3C低頻側隔離變壓器網(wǎng)側中性點均采取直接接地方式，但低頻輸電系統(tǒng)在特定故障控制策略下呈現(xiàn)出類似于中性點非直接接地系統(tǒng)的故障特征。

圖1 海上風電低頻輸電系統(tǒng)拓撲

　　2 縱聯(lián)電流差動保護在低頻輸電系統(tǒng)中面臨哪些挑戰(zhàn)?

　　縱聯(lián)電流差動保護憑借其優(yōu)異性能成為新能源送出高壓交流線路主保護。在同步機系統(tǒng)中，故障線路兩側電流基本同相，縱聯(lián)電流差動保護具有很高的靈敏度。新能源場站接入強電網(wǎng)場景下，即便新能源側與電網(wǎng)側故障電流相位差異較大，但因二者提供故障電流幅值的能力有顯著區(qū)別，當幅值差大于特定值時，使得任何電流相位差下縱聯(lián)電流差動保護都能正常工作。相較于前兩個場景，在低頻輸電系統(tǒng)中，縱聯(lián)電流差動保護的靈敏度與GSC和M3C提供的負序電流密切相關。兩者注入的負序電流越低，靈敏度越低，從而引起保護誤動作。單相接地故障及兩相相間故障下，當GSC和M3C均抑制其輸出負序電流時，故障支路電流在穩(wěn)態(tài)時理論值降為0，因此僅基于電流的穩(wěn)態(tài)量保護將在原理上失效。

　　低頻輸電系統(tǒng)的故障特征高度依賴于線路兩側換流器故障穿越策略，目前尚未形成確定性標準化的換流器故障響應特性，因此具有普適性的低頻線路保護應該獨立于源特性。

　　3 如何利用電壓反行波差異實現(xiàn)低頻海纜縱聯(lián)保護?

　　典型的換流器故障控制策略雖能弱化故障特征，但在故障暫態(tài)階段，故障特征主要受到海纜中電容和電感間能量交換的影響。同時，換流器控制系統(tǒng)完成指定目標需要一定時間，因此故障支路電流在故障暫態(tài)階段幅值較大并逐漸減小。充分利用該階段的故障信息，即可實現(xiàn)故障識別。鎧裝三芯海纜包含導芯、金屬屏蔽層和鎧裝，多導體之間存在電磁耦合，單獨分析相電氣量困難。對此，首先利用時域暫態(tài)信號相模變換，篩選出能夠反映各種故障類型的模量。Marti模型考慮了線路頻變特性，能夠根據(jù)對端電壓前行波準確計算本端電壓反行波。為了在低采樣率下實現(xiàn)計算，推導了基于插值的高精度電壓反行波電壓表達式。基于電壓反行波差異的海上風電低頻輸電系統(tǒng)海纜縱聯(lián)保護方案流程圖如圖2所示。保護啟動后，首先根據(jù)本端模量信息計算本端電壓反行波，然后通過對端電壓前行波與傳播函數(shù)間的卷積來計算本端電壓反行波，最終比較二者差異以實現(xiàn)海纜保護。

圖2 海上風電低頻輸電系統(tǒng)海纜縱聯(lián)保護方案流程圖

　　4 利用反行波電壓差的海纜縱聯(lián)保護性能如何?

　　本文對圖1所示的帶有3個風電場的低頻輸電系統(tǒng)進行了仿真。計算結果表明：1)如圖3所示，區(qū)外故障時，由本端模量信息計算的電壓反行波在故障暫態(tài)階段基本與由對端模量計算的電壓反行波重合，區(qū)內(nèi)故障下二者差異明顯;2)不同M3C負序電流指令下的電壓反行波差異仿真結果如圖4所示，結果表明，基于電壓反行波差異的縱聯(lián)保護在區(qū)內(nèi)故障時在能在5 ms內(nèi)可靠動作，而在區(qū)外故障時不動作。所提保護不受換流器故障控制策略影響，且具有較高的靈敏度。

圖3 經(jīng)本端與對端模量信息計算的電壓反行波對比 (a) 區(qū)外故障 (b) 區(qū)內(nèi)故障

圖4 不同M3C負序電流指令下電壓反行波差異仿真結果

　　5 該研究存在哪些局限性，未來的研究方向是什么?

　　本文所提方案需事先獲知海纜各頻點下的線路參數(shù)，給實際工程應用帶來困難。未來的研究將聚焦于如何降低對線路參數(shù)的強依賴性。除此之外，海纜故障可能伴隨著通信通道的破壞，還需研究不依靠通信及與換流器控制特性無關的保護方案。

　　引文信息

　　Xiaoping Gao, Guobing Song, Xiaoning Kang, Can Cui, and Jifei Yan. Pilot protection based on backward traveling-wave voltage difference for submarine cables of low-frequency transmission system with integrated offshore wind power [J]. Journal of Modern Power Systems and Clean Energy, 2025, 13(4): 1176-1187.

　　高校平：博士研究生，西安交通大學電氣工程學院，主要研究方向為：新型電力系統(tǒng)保護與控制。

　　宋國兵：博士，教授，博士生導師，西安交通大學電氣工程學院，主要研究方向為：電力系統(tǒng)繼電保護。

　　康小寧：博士，教授，博士生導師，西安交通大學電氣工程學院，主要研究方向為：電力系統(tǒng)繼電保護。

　　崔燦：碩士研究生，西安交通大學電氣工程學院，主要研究方向為：新型電力系統(tǒng)保護與控制。

　　閆吉飛：博士研究生，西安交通大學電氣工程學院，主要研究方向為：新型電力系統(tǒng)保護與控制。

　　團隊介紹

　　西安交通大學電力系統(tǒng)繼電保護團隊于20世紀60年代由葛耀中先生(顧毓琇電機工程獎獲得者)等中國老一輩繼電保護專家開創(chuàng)，培養(yǎng)了張保會、索南加樂、董新洲、徐丙垠等繼電保護領域杰出專家。團隊經(jīng)張保會教授、索南加樂教授等知名學者發(fā)展壯大，現(xiàn)有教授4人，副教授4人，助理教授2人。近年來，團隊面向國家能源重大戰(zhàn)略需求，在現(xiàn)代電力系統(tǒng)故障分析與繼電保護，電力變壓器新型保護與安全運行，電力系統(tǒng)通信與電力物聯(lián)網(wǎng)，電力系統(tǒng)控制保護融合，新能源電力系統(tǒng)安全自動裝置等領域開展了大量的研究工作，主持或參與了國家重點研發(fā)計劃、863/973計劃、國家自然科學基金等縱向項目和國家電網(wǎng)公司、南方電網(wǎng)公司等企業(yè)的橫向項目50余項，獲省部級科研獎勵20余項，出版教材/專著6部，發(fā)表SCI/Ei論文400余篇。

　　來源：電力系統(tǒng)自動化