基于電流相角分布的光伏直流送出線保護方案

劉 源，樊艷芳，馬 健，張鑫宇，許名揚

(新疆大學電氣工程學院，烏魯木齊 830047)

近年來，中國光伏發電規模發展迅速，截至2019年底，光伏裝機總容量達到20 468萬kW[1-2]。為減少光伏電站在常規交流并網過程中的損耗，以及低頻振蕩等問題[3]，光伏直流升壓匯集接入系統的并網方式應運而生。由于直流系統具有強非線性[4]，且在直流送出線上發生故障后，電氣故障特征消失快，給準確識別區內外故障帶來了很大挑戰。而在交流系統中的故障特征與直流系統中有著明顯差異，各種工頻量保護在直流線路保護中不能直接應用。有效快速地識別直流送出線區內外故障，可以保障光伏發電并網的安全性和可靠性。

針對如何快速識別直流線路故障的問題，中外眾多學者也紛紛展開了研究。目前，按照采集電氣信號的方式，將直流送出線的區內外辨識方法主要歸為3類：信號注入式保護、單端電氣量保護和雙端電氣量保護。在直流線路上，由于短路故障使得兩端電力電子換流器快速閉鎖，提取故障信息難度較大，有學者就此問題提出信號注入式保護方式并將其應用于直流線路[5]。文獻[6]提出了直流線路故障時利用健全側模塊化多電平換流器(modular multilevel converter，MMC)注入矩形波信號，通過檢測矩形波上升沿第一個反行波來檢測故障類型，但矩形波信號選型比較困難。文獻[7]提出在直流電網故障時向各個換流器注入頻率100 Hz、幅值為0.1倍額定電壓的正弦信號，通過引入斯皮爾曼相關性構造電容模型相關性判據，以此來判斷區內外故障，但注入信號可能會影響非故障直流線路的運行特性。基于單端電氣量保護主要是利用線路故障時首端或末端的電壓、電流等電氣量突變構造保護，只需要單端采樣，在本地進行判斷后作用于斷路器。文獻[8]利用線路終端電氣量通過小波變換模極大值法構造保護判據。文獻[9]指出直流線路正負極間存在耦合關系，利用故障后單端兩極的電壓電流構造樣本標準差作為保護算法的依據。基于單端的電氣量保護雖然在信息傳遞上比較可靠且也滿足速動性要求，但單端電氣量的采樣頻率普遍高于直流工程實際采用的10 kHz，目前正處于探索階段。采用行波或暫態量構造的雙端電氣量縱聯保護在直流線路上具有較高的可靠性，且在目前的工程采樣頻率下可以實現。文獻[10]使用故障后的時變暫態信號構造相關性檢驗的算法，但該算法使用較多的電氣量進行統一描述，存在誤動的風險。文獻[11]指出在長距離直流線路中線路會因色散丟失故障信息，利用雙端行波來進行故障定位，可以達到區分故障類型的目的。目前行波保護多應用于故障定位，但在短線路傳輸中不適用。

基于上述分析，針對短距離光伏直流輸送線路的快速保護方案亟待研究。現以1 MW/±10 kV集中型光伏直流升壓外送系統為背景展開研究，提出一種適用于其直流送出線的，且基于故障后電流極性變化的相角分布保護方案。該方案只利用短時窗的暫態電流極性變化構造判據，使用數據量少，能夠可靠快速地辨別區內外故障，保證光伏直流并網系統的安全穩定運行。

1 直流送出線電流極性變化分析

以集中型光伏直流升壓外送系統為研究背景，如圖1所示，光伏陣列通過DC/DC變換器升壓后經雙極直流線路送出，在終端通過MMC逆變升壓后接入高壓交流系統[12]。由于直流線路發生單極故障表現為高阻抗接地，不會引起嚴重過流，且系統可以帶故障運行一段時間，故主要針對嚴重的雙極故障展開研究。

圖1中，DC/DC升壓變換器的單模塊采用有源箝位Boost全橋升壓變換器(boost full bridge isolated converter, BFBIC)，其中S0～S4為IGBT開關管。MMC換流器采用半橋子模塊構成，A、B分別為首端、末端母線，M、N分別為光伏直流送出線采樣處，D1～D4為二極管，將圖中的送出線路分為F1、F2、F33個區域，規定電流正方向為母線流向線路，令首端M和末端N的參考電流分別為IM、IN。考慮線路發生不同故障時，在暫態過程中，以正極線路為例，直流送出線在不同運行工況時的電流流向示意圖如圖2所示，其中Ire、Ire1、Ire2、Ire2’、Ire3分別為不同故障時實際電流流向。

圖1 光伏直流升壓外送系統

圖2 直流送出線電流流向示意圖

根據電流參考方向與實際方向的關系可得：

(1)正常運行時，M端極性為正，N端極性為負。

(2)F1區故障時，兩端極性突變，M端極性由正變為負，N端極性由負變為正。

(3)F2區故障時，單端極性突變，M端極性仍為正，N端極性由負變為正。

(4)F3區故障時，兩端極性不變，M端極性為正，N端極性為負。

分析可知，當正極線路正常運行和發生區外故障時，線路上電流為穿越電流，則M、N兩端為相反極性電流；當正極性線路發生區內故障時，M、N兩端為相同極性電流。負極性線路分析方法相同，因此正極與負極線路的電流極性特征如表1所示。

表1 故障前后送出線路電流極性特征

理想情況下，當送出線路正常運行或發生區外故障時，兩端電流采樣值極性相異；當送出線發生區內故障時，兩端電流采樣值極性相同。可以通過比較兩端采樣值極性的差異區分區內外故障，并以此構造直流送出線保護判據。

2 構造保護方案

由第1節分析可知，理想情況下，直接比對兩端單個電流采樣點極性異同即可區分區內外故障。但考慮到實際運行過程中出現通信延時，故障初期單個采樣點極性對比會使保護誤動。令最大通信延時為Δt，當發生區外故障(F1區)時存在極性突變，若考慮通信延時的影響，可得到其故障電流波形如圖3所示。在發生區外故障初期Δt時間內，區外故障兩端電流極性相同，存在誤動作風險。為此，引入相角分布對故障電流極性變化進行描述，以求保護判據能夠可靠判別故障類型。

圖3 F1區外故障兩端最大延時結果

2.1 相角分布引入

在系統運行中，故障發生具有不確定性且過程短暫，引入相角對故障前后采樣值的變化進行統一描述，并以此進行區內外故障判別，其統一描述模型為

(1)

式(1)中：IM(t)、IN(t)分別為直流送出線的首端、末端電流采樣值；k(t)為兩端電流采樣值的比值，利用反正切對兩端電流變化的比值進行描述，即可得到θ(t)的取值范圍在(-π/2,π/2)。在直流送出線正常運行和發生區外故障時，兩端電流極性相反，即k(t)<0，故相角分布在(-π/2,0)；當發生區內故障時，兩端電流極性相同，即k(t)>0，故相角分布在(0,π/2)，如圖4所示。

圖4 區內外故障相角分布取值范圍

在進行相位的轉換時，需要對其邊界問題進行分析，以防止保護拒動或誤動。分析如下。

(1)若θ(t)=±π/2，則式(1)中存在k(t)→∞，但在實際雙極故障時，兩端電流幅值呈現突增或驟降趨勢，且為有限值，故θ(t)≠±π/2。

(2)若θ(t)=0，則式(1)中存在k(t)=0，但在實際工程中10 kHz采樣頻率下，最小采樣時間為0.1 ms，電流過零數據為幾十微秒，電流互感器很難采集到過零數據，可視為不存在IM(t)=0；故障后兩端電流為有限值，不存在IN(t)=∞，故θ(t)≠0。

綜上分析可知，該相角分布不存在動作邊界問題，且區外、區內故障后電流采樣值的相角都分別分布在(-π/2,0)或(0,π/2)。

2.2 構造保護判據

由于電力電子器件耐壓性能較弱，在檢測到發生故障后會快速閉鎖。對此，文獻[13]指出直流線路故障要在6 ms內清除且保護動作時間不能大于3 ms，這時仍處于故障暫態初始階段。為保證快速判斷出故障類型，取1 ms數據窗，且采用滑窗計算保護判斷值。

令采樣頻率為工程實際的10 kHz，則1 ms內對應10個采樣數據。光伏直流送出線發生區內故障時與系統正常運行和區外故障下的相角分布不同，利用Sinner表示區內故障的相角分布點在一個數據窗中所占比例，表達式為

(2)

式(2)中：Nt為一個數據窗中相角分布點在(0,π/2)區間的個數；NT為一個數據窗中計算相角分布點總個數。理想情況發生區內故障存在關系Sinner>0(Sset)，由于故障初期出現數據不同步可能會使得保護誤動，需要設置合理整定值Sset。在直流送出線上，普遍采用光纖通信，由于傳輸距離較短，因而數據傳輸過程中通信延時會比較短，通常20 km內線路的延時不到0.3 ms[14]，取Δt=0.3 ms，在區外故障時則可能存在3個誤判為區內的相角分布點。為防止保護判據誤動作同時兼顧其速動性，取Sset=0.4。在考慮CT測量誤差不超過10%的技術標準和外界干擾等因素下，引入可靠系數Ks，取Ks=1.25,則可得Sset=0.4×1.25=0.5。因此，整體保護方案為：以di/dt或du/dt的突增為啟動判據，當判據啟動后，若存在Sinner>0.5，則判定為區內故障，否則為區外故障，其保護方案流程如圖5所示。

圖5 保護方案流程圖

3 仿真驗證

為驗證所提判據的有效性，在MATLAB/Simulink中搭建圖1所示的 1 MW/±30 kV集中型光伏直流升壓外送系統，其中光伏陣列中電池串聯數目為900，并聯數目為700。整個系統的主要仿真參數如表2所示。設置雙極故障發生時間為0.3 s，采樣頻率為10 kHz，數據窗長為1 ms。對送出線區內和區外故障分別進行仿真驗證。

表2 系統主要仿真參數

3.1 區內故障

針對直流送出線MN段，分別設置距M側0、5、10 km雙極故障來驗證保護原理。其中0和10 km是為了驗證兩端出口邊界處保護原理的適應性。以正極線輸電線路為例，送出線路距M側5 km處的雙極短路兩端波形分析和原理實現過程如圖6所示，其余情況以表格展示。

圖6(a)中，在故障發生后，電流幅值呈現突變狀態；圖6(b)中，在0.300 6 s時已滿足判據Sinner>0.5，辨別為區內故障。

圖6 MN線路5 km處區內雙極故障電流和保護實現結果

表3為距M側0和10 km處故障仿真結果。由在于仿真模型正負極性線路參數一致，且雙極發生同一故障點位置相同，故能得到相同的判別參數，因此只給出正極線線路仿真計算結果。仿真結果表明，保護判據在兩端區內出口處也能準確判別區內故障。故表明該保護方案能快速準確判別出區內故障。

表3 0和10 km處雙極故障判別參數

在上述分析中，在送出線距M側0、5、10 km處設置故障得到了相同的判別參數。在不考慮其他因素影響，分析其原因為采樣系統每次采集的數據時刻相同，所以保護判據在判斷Sinner的時刻也相同。如圖7所示，在不考慮其他因素情況下，改變故障點位置，只能改變電流幅值，不會改變極性，因此對保護原理不會產生影響。

圖7 不同故障點對應的電流波形

3.2 區外故障

在圖1中F1區和F3區A、B母線處分別設置區外雙極故障，以正極性線路為例，仿真結果如圖8所示。故障后，電流幅值突變，由于光伏直流送出線兩端測點M、N在發生區外故障時處于同一線路上，因此線路兩端故障電流幅值相等，方向相反，進而得到F1區和F3區母線處故障保護實現結果一致。由圖8(c)可知，線路故障后一直存在Sinner=0，不滿足動作條件，故保護判據能夠準確識別區外故障。

圖8 M、N側區外故障仿真結果

3.3 通信延時對判據的影響

考慮采樣數據傳輸受通信延時的影響，令最大通信延時為0.3 ms，對判據的可靠性進行仿真驗證。區外取F1區和F3區A、B母線處故障為例，區內取正極線路距M側0、5、10 km處故障為例，驗證結果如表4所示。

由表4可看出，通信最大延時造成兩端數據不同步時，判據也能正確識別區內外故障，故保護判據在一定程度上不受通信延時的影響。

表4 延時0.3 ms保護算法實現結果

3.4 外界干擾對判據的影響

考慮到外界噪聲和互感器采集信號時的隨機誤差會使得電流波形產生畸變，采用高斯白噪聲來模擬干擾進行仿真驗證，其信噪比為30 dB[7]。以正極線路為例，同3.3節，設定不同位置的區內外故障進行仿真驗證，驗證結果如表5所示。

表5 外界干擾下保護算法實現結果

由表5可以看出，保護判據在信噪比為30 dB的干擾下能可靠動作，具有較好的抗外界干擾能力。

3.5 過渡電阻對判據的影響

為驗證保護判據耐受過渡電阻的能力，分別設置雙極故障過渡電阻為20、50、100 Ω進行仿真驗證。以正極線路為例，由于區內故障不同故障點在相同采樣時刻不會發生極性變化，故選取故障位置為F1區母線處、F2區距M側5 km和F3區母線處為例，其結果如表6所示。

表6 保護判據在不同過渡電阻下的仿真結果

由表6可看出，保護判據在過渡電阻20、50、100 Ω的影響下，保護也能快速正確動作，具有較好的抗過渡電阻能力。

4 結論

以光伏直流升壓外送系統為研究背景，通過分析光伏直流送出線發生區內外故障時的電流特征，提出一種采用相角分布以突出送出線兩端電流極性變化特征的保護判據的新方案，并利用MATLAB/Simulink搭建電壓等級為±30 kV的光伏直流外送系統仿真模型，得到以下結論。

(1)線路正常運行和發生區外故障時，兩端電流采樣點極性互異；發生區內故障時，兩端電流采樣點極性相同，該保護方案利用反正切函數對兩端電流進行統一描述，算法簡單，且保護動作區域不存在邊界問題。

(2)該保護方案只需要1 ms的數據窗，且只利用兩端電流極性進行判斷，對電流幅值精度要求低，計算量小，有很好的速動性。

(3)通過仿真驗證，該保護方案能夠快速判別出區內外故障，具有較好的抗干擾和抗過渡電阻能力，且在一定程度上，不受通信延時的影響，可靠性高，對后續光伏直流并網線路繼電保護有一定參考價值。