逆變型新能源電站對輸電線路距離保護動作性能影響研究＊

王志飛，朱德軍，朱偉雄，司 旭，徐 炎，朱炳旭，王藝博

（中國礦業大學（北京），北京 100083）

0 引言

2021 年，“碳達峰、碳中和”被正式寫入十三屆全國人大四次會議所作的政府工作報告中。可見能源問題和環境污染愈演愈烈，構建以新能源為主體的新型電力系統已迫在眉睫。2020 年，我國電源結構中，新能源占比約24.3%，風電和太陽能發電裝機容量總計5.3 億kW，預計到2030 年將達到12 億kW 以上，研究大規模新能源發電并網后的故障特性，具有十分重要的意義。

距離保護是電力系統高壓輸電線路中應用最為廣泛的保護之一，可以快速、有選擇性地切除故障元件。距離保護的原理是計算出能反映故障距離的阻抗值，通過該阻抗值來判斷故障是發生在保護整定范圍之內還是整定范圍之外。理想的距離繼電器，只對保護安裝處到整定范圍之內的故障動作，對于整定范圍之外的故障要能準確判別可靠不動[1]。因此，距離保護的正確動作，對傳統電網穩定、可靠與安全運行起到至關重要的作用。

但新能源電力的接入勢必與傳統電力網絡產生沖突，繼電保護裝置易發生拒動、誤動，大大影響發電效率，甚至會引發大規模的停電事故。2020 年冬季，中國湖南、江西等地出現電力供需緊張的情況，引起社會各界對中國電力未來的廣泛關注[2]。因此，研究輸電線路動作保護的穩定性、可靠性和靈活性，十分必要。課題組以大型光伏電站為例，重點分析光伏電站接入對輸電線路測量阻抗的影響以及對故障分量距離保護的影響機理，將對今后新能源場站中距離保護具有重要指導意義。

1 光伏電站接入對測量阻抗影響

當輸電線路發生故障時，光伏側動態過程分析復雜度較高，本文采用適用于電力系統暫態仿真的外特性模型[3]，分析光伏電站對測量阻抗的影響。

光伏電站阻抗網絡模型如圖1所示，主要包括光伏發電單元、光伏側與系統側輸電線路及其故障時過渡電阻。

圖1 光伏電站阻抗網絡

基于基爾霍夫定律，當輸電線路上發生經過渡電阻故障時，光伏電站側安裝保護處的測量阻抗Zm可表示為：

式中，IM、IP分別為光伏電站側保護安裝處的測量電流、系統側提供的短路電流；Zk、Rf分別為保護安裝處到故障點的阻抗、過渡電阻；ΔZ為附加阻抗。

測量阻抗Zm由真實故障阻抗Zk和故障附加阻抗ΔZ兩部分共同構成，而Zm的大小將直接決定阻抗繼電器是否能夠正確動作[4]。

通過式（1）可以得到以下結論：若發生金屬性故障（即過渡電阻為零），測量阻抗即為線路中實際故障阻抗，距離保護能可靠動作；若發生非金屬性故障，測量阻抗中包含附加阻抗ΔZ，這將導致距離保護不能可靠地測出實際故障阻抗，從而導致距離保護發生拒動。

線路中的短路一般都是非金屬性的，在發生相間短路或接地短路時，短路電流從一相流到另一相或從相導線流入地的途徑中通過物質，即通過電阻，包括電弧、中間物質的電阻，相導線與地之間的接觸電阻，金屬桿塔的接地電阻等[5]。

下面分類討論附加阻抗ΔZ的特性。

1.1 單相接地故障時附加阻抗特性分析

以區內A 相接地故障的復合序網為例，由于光伏電站呈弱饋特性，正序電流相比于零序電流較小，可忽略不計，則單相接地故障時附加阻抗ΔZ為：

式中，K為零序補償系數，分別為光伏側和系統側的零序電流。

由于光伏電站側零序阻抗為輸電線路上零序阻抗和主變壓器零序阻抗，系統側零序阻抗為輸電線路上零序阻抗。所以光伏電站側零序電流與系統側零序電流相位角相差不大，且光伏電站側電流相比于系統側電流較小。因此，由式（2）可知，附加阻抗ΔZ近乎為阻性且阻值較大，相當于測量阻抗的實部增大，從而導致測量阻抗不能準確反映實際故障阻抗，進而導致基于測距原理的傳統三段式距離保護發生拒動。

給出單相故障時阻抗平面圖，如圖2所示。當測得的阻抗落在圓內時，繼電器動作令保護裝置發出跳閘信號。當方向圓在相反方向失效時，繼電器不動作[6]。其動作方程如式（3）、式（4）所示：

幅值比較動作方程：

角度比較動作方程：

1.2 兩相短路故障時附加阻抗特性分析

光伏電站側BC 兩相電流之差的相位角θBCM受光伏電站接入影響，可能導致附加阻抗ΔZ可能表現為容性阻抗或感性阻抗，使得保護測量阻抗不能準確測量實際故障阻抗，進而可能導致傳統距離保護不能正確動作。給出相間故障時阻抗平面圖，如圖3所示。

由圖3可知，若附加阻抗角為正阻抗角，附加阻抗表現為感性阻抗特性，此時實際測量阻抗增大，可能導致距離元件拒動；若附加阻抗角為負阻抗角，附加阻抗表現為容性阻抗特性，此時實際測量阻抗減小，可能導致距離元件穩態超越。因此，受光伏電站接入影響，附加阻抗?Z 隨著控制策略中的參數變化以及故障條件改變而變化，進而導致測量阻抗不再能準確反映故障距離，存在導致距離元件拒動的可能性。

2 新能源場站接入對故障分量距離保護的影響分析

電力系統的故障狀態可視為故障前狀態與故障附加狀態的疊加，其中故障前狀態可以是各種非故障狀態，也可以是前一次故障狀態的繼續，而故障附加狀態則是由當前故障所激發的。故障分量是僅在系統發生故障時出現、而在系統正常運行及不正常運行時不存在的電氣分量，即它隨著故障的出現而出現，隨著故障的消失而消失。所以，故障分量的存在是電力系統處于故障狀態的表征[7]。

隨著電力系統規模的不斷擴大和電壓等級的不斷提高，對繼電保護裝置提出的要求也越來越高。近年來，反映故障分量的高速繼電保護得到了廣泛應用，提高了繼電保護的動作特性，有力地支持了電網的發展。國內外許多文獻對故障分量理論進行了詳細分析論證，課題組在此基礎上，介紹工頻故障分量理論[8]，分析新能源場站接入對故障分量距離保護的影響，有較好的實用性。

2.1 故障分量距離保護工作原理

保護安裝處的工頻故障分量電流、電壓可以分別表示為：

取工頻故障分量距離元件的工作電壓為：

可見，比較工作電壓△U與電源電動勢幅值的大小，就能夠區分區內與區外的故障。故障附加狀態下的電源電動勢的大小，等于故障前短路點電壓的大小，即比較工作電壓與非故障狀態下短路點電壓U的大小，就能夠區分出區內與區外的故障。假定故障前為空載，短路點電壓的大小等于保護安裝處母線電壓的大小，工頻故障分量距離元件的動作判據可以表示為[9]：

式中，Zset為保護的整定阻抗；UM、IM表示保護安裝處電壓、電流的故障分量；表示保護末端的電壓整定值、故障點原始電壓。

圖4 區內故障

圖5 區外故障

式（8）所述動作判據可轉化阻抗形式：

新能源場站接入電網后，整定阻抗Zset并不受影響，新能源場站側故障電流與傳統故障電流差異明顯，因此，Zs和Zm特性受光伏電站接入影響也較大，導致Zs和Zm在幅值與相角特性上與傳統同步機電源存在較大差異，進而可能導致故障分量距離保護發生拒動或誤動。

2.2 光伏電站側等效阻抗特性分析

若測量阻抗與實際故障阻抗相等，則研究光伏電站接入對故障分量距離保護影響的實質就是研究光伏電站側阻抗特性。本節以區內金屬性故障為例，研究Zs相角變化對故障分量距離保護動作特性影響。圖6 分別為不同區間的Zs相角變化對故障分量距離保護動作特性。

圖6 Zs 相角變化對故障分量距離保護動作特性的影響

1）當0°

2）當180°

新能源場站接入將對測量阻抗產生影響，進而導致距離保護不正確動作，本節主要對故障分量距離保護進行理論分析，其中可得到以下結論：

1）對于光伏電站而言，由于光伏電站側等效阻抗幅值較大，且其相角與有功參考值、無功參考值、控制目標以及故障條件等因素均相關，若arg(Zs)介于180°和360°之間，故障分量距離保護將發生拒動或誤動；同時由于過渡電阻的存在，導致測量阻抗也受光伏電站影響，測量阻抗相較于傳統電網，其幅值和相角都發生較大變化，從而導致測量阻抗不能準確計算出實際故障阻抗，進而導致故障分量距離保護將發生拒動或誤動。

2）發生金屬性故障時，若故障類型為接地故障，故障分量距離保護靈敏度下降但仍能正確動作；若故障類型為相間故障，故障分量距離保護發生拒動。發生經過渡電阻故障時，不論什么故障類型，故障分量距離保護都可能會發生拒動。

3 總結

課題組以光伏電站為研究對象，研究新能源場站接入對輸電線路上傳統距離保護動作性能的影響，揭示其影響機理。主要結論如下：

1）從理論上揭示了新能源場站接入對距離保護中測量阻抗的影響機理，故障電阻的存在，將在測量阻抗中產生附加阻抗；而由于故障電流的可控性與光伏電站的弱饋特性，將導致其與傳統電源中的特性相差較大，從而導致附加阻抗特性也發生較大變化。發生接地故障時，附加阻抗呈阻性且幅值較大；發生相間故障時，附加阻抗可能呈感性或容性；這些特征變化將導致測量阻抗不再能準確計算出實際的故障電阻，從而導致距離保護不能正確動作。

2）同時，課題組研究了新能源場站接入對故障分量距離保護適應性問題，從理論上研究了光伏電站側等效阻抗特性變化對故障分量距離保護的影響，若其阻抗角180°