徐 彥 夏經(jīng)德 羅金玉 邵文權(quán) 苗思雨楊秀川

(1.西安工程大學(xué)電子信息學(xué)院,陜西省 西安市 710048;2.西安交通大學(xué)電氣工程學(xué)院,陜西省 西安市 710049;3.大唐陜西發(fā)電有限公司,陜西省 西安市 710061)

0 引言

在我國“碳達峰,碳中和”戰(zhàn)略目標(biāo)下,分布式清潔能源在能源結(jié)構(gòu)中的占比日益增加[1-2]。自2014年以來,風(fēng)力發(fā)電迅速成為新能源發(fā)電的主流之一,我國分布式風(fēng)電裝機容量逐年提升,現(xiàn)裝機總?cè)萘恳殉?3.5×104kW[3]。相較于交流電網(wǎng),直流電網(wǎng)具有消納新能源能力強、輸電效率高、減少換流環(huán)節(jié)等優(yōu)點[4],直流電網(wǎng)更契合分布式風(fēng)力發(fā)電的發(fā)展,但并網(wǎng)也面臨著諸多問題亟待解決。當(dāng)風(fēng)力發(fā)電接入直流電網(wǎng)需換流器的加入,換流器中諸多電力電子器件頻繁開關(guān)斷使系統(tǒng)電氣量中含有大量諧波,對系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)測和繼電保護的判別產(chǎn)生影響[5]。換流器中的電力電子器件具有天然的脆弱性,對系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)測和繼電保護的快速判別提出了更高的要求[6]。

為提高含分布式風(fēng)電的直流輸電系統(tǒng)的安全性能,國內(nèi)外學(xué)者提出眾多提高系統(tǒng)穩(wěn)定性的措施,并已經(jīng)取得一定成果。在保護監(jiān)測方面,文獻[7]闡述了由于分布式電源的接入使配電網(wǎng)潮流流向、運行方式更加復(fù)雜,通過限制準(zhǔn)入容量等方式改進三段式電流保護,但從長遠來看依然具有局限性。在諧波抑制方面,文獻[8]通過在風(fēng)機與電網(wǎng)公共連接點加裝雙調(diào)諧濾波器對諧波進行抑制,以A 相電流為例,通過該濾波器對5、7次諧波抑制,使諧波畸變率由原先的13.72%降低為7.36%,起到一定濾波效果。文獻[9]通過在控制環(huán)節(jié)中補償5、7次諧波以達到抑制目的。錢克矛教授提出傅里葉濾波算法,其認為縮小窗口尺寸可抑制線性相位誤差,但這種固定時間窗濾波難以滿足時頻特性復(fù)雜的系統(tǒng)[10]。小波分析可在自適應(yīng)尺度上分析自身信號和噪音特征,由此小波濾波算法得到快速發(fā)展[11]。本文借鑒小波濾波算法提出了變尺度積分濾波算法,在很大程度上濾除特征諧波和一定程度的非特征諧波,減小保護因為諧波影響的誤動性。

目前,直流系統(tǒng)中監(jiān)測與保護之間的協(xié)調(diào)不夠完善。本文借鑒交流系統(tǒng)中的阻抗三段式保護,設(shè)計直流階梯式三段阻抗?fàn)顟B(tài)監(jiān)測,完成快速監(jiān)測、靈敏保護、協(xié)調(diào)保護之間相互協(xié)調(diào),通過設(shè)置不同的積分濾波時長,構(gòu)建階梯式互聯(lián)狀態(tài)監(jiān)測方式;同時積分算法兼具了濾波效果和靈敏、協(xié)調(diào)保護的時間延遲,積分時間越長窗濾波效果越明顯,構(gòu)成了變尺度濾波算法。最后,在PSCAD 仿真平臺搭建±50kV 直流輸電網(wǎng)仿真模型,驗證該保護的正確性。

1 50 kV 直流輸電網(wǎng)拓撲結(jié)構(gòu)

1.1 直流電網(wǎng)拓撲結(jié)構(gòu)

圖1為本文研究的含分布式風(fēng)電多端網(wǎng)狀中壓直流電網(wǎng)的拓撲結(jié)構(gòu),系統(tǒng)額定電壓50kV,額定電流0.6kA,主要包括交流系統(tǒng)S1和S2、換流器(包括整流器和逆變器)、DC/DC裝置、線路兩端諸多分布式風(fēng)力發(fā)電及輸電線路等。對圖中各個端口進行編號T1—T16;L1—L12表示含有正負雙極的配電線路,L1—L8 為架空線路,L9—L12 為電纜線路;實線路表示正極、虛線路表示負極;f1、f2分別表示直流線路通常遇到的2種故障類型,單極接地和極間短路故障[12]。

圖1 含分布式風(fēng)力發(fā)電的直流電網(wǎng)拓撲結(jié)構(gòu)Fig.1 DC grid topology with distributed wind power generation

1.2 阻抗?fàn)顟B(tài)監(jiān)測誤差條件

隨著電力系統(tǒng)日益復(fù)雜化,對系統(tǒng)阻抗監(jiān)測的要求逐漸提高。阻抗監(jiān)測可通過反應(yīng)故障點到保護測量點之間的阻抗,根據(jù)測量阻抗與整定阻抗之間的關(guān)系而確定系統(tǒng)運行狀態(tài)的監(jiān)測裝置,該監(jiān)測方式要求準(zhǔn)確判斷監(jiān)測區(qū)域的運行狀態(tài)。根據(jù)文獻[13],阻抗監(jiān)測正確判別的條件是:定位誤差ε不大于整定阻抗Zset與測量阻抗Zf之差的絕對值。如圖2 所示,圖中縱坐標(biāo)εmax表示允許最大定位誤差[13]。

由圖2可知,故障定位誤差允許誤差最大值出現(xiàn)在線路出口處,誤差允許值隨線路延伸逐漸減少,快速段末端發(fā)生故障時,需要較高的測距精度以區(qū)分區(qū)內(nèi)、區(qū)外故障;而越靠近線路首端,測距誤差允許值越大。

圖2 定位誤差與測量阻抗之間的關(guān)系Fig.2 Relationship between positioning error and measurement impedance

2 系統(tǒng)諧波特性分析與變尺度濾波

2.1 諧波特性分析

分布式風(fēng)力發(fā)電經(jīng)換流器接入直流線路,換流器具有非線性特性,在正常運行時會產(chǎn)生大量諧波,對繼電保護和通信都會造成干擾。本文整流側(cè)采用換相換流器(line commutated converter,LCC)。LCC通過12個換流閥進行開關(guān)斷,使其在直流側(cè)產(chǎn)生12k(k=1,2,3,……)次特征諧波和一些非特征諧波[14]。本文僅對直流側(cè)的電壓諧波分量進行分析,直流側(cè)的第h次特征諧波電壓有效值為

式中:Ud0為整流電壓;令觸發(fā)角α=0°;換相角φ=30°[15]。

2.2 變尺度濾波

本文針對含分布式風(fēng)力發(fā)電的直流輸電系統(tǒng),結(jié)合定尺度和小波分析的多尺度濾波算法提出變尺度濾波算法。換流器交流側(cè)諧波以m=12k±1次為主,正序分量在直流側(cè)產(chǎn)生|m-1|次諧波,負序分量在直流側(cè)產(chǎn)生|m+1|次諧波,即交流側(cè)諧波會傳遞到直流側(cè)11、13次諧波,其周期T11=1.8ms,T13=1.5ms;12 次特征諧波周期T12=1.67ms。凡積分大于半周期均具有濾波效果,暫定靈敏段取其較高次諧波周期的整數(shù)倍;協(xié)調(diào)段按含量最多的12次特征諧波整定,即T=3/6.7ms。本文暫定變尺度濾波時長分別為0.25、3.00 和6.70ms,250μs積分具有平滑波形的作用,僅對含量較少的高次諧波有效。對于特征諧波主要依靠于較長時間的3、6.7ms積分濾除。以特征諧波諧波為例,分別計算各次諧波經(jīng)3、6.7ms積分濾除后的諧波電壓剩余率如表1所示。再根據(jù)各次諧波有效值計算總體諧波總量的有效值,其表達式為

表1 積分算法剩余率值Table 1 Integral algorithm residual rate value

將表1結(jié)果帶入式(2)可得:T=3ms時,U∑=32.30V;T=6.7ms時,U∑=0V。諧波有效值隨積分增加而減小,濾波效果較好。

2.3 諧波電流特性

含分布式風(fēng)力發(fā)電的直流系統(tǒng)中不僅電壓量中存在諧波,電流量中同樣存在諧波。在系統(tǒng)正常允許時,對12脈動整流器直流電流進行傅里葉分解,其結(jié)果如圖3所示。其正常情況電流主要諧波次數(shù)與電壓相同,以12的整數(shù)倍為主,其總占比在15%以內(nèi)[16]。

圖3 正常諧波電流含量Fig.3 Normal harmonic current content

當(dāng)直流系統(tǒng)發(fā)生短路故障時,故障極電壓降低,電流迅速增大。因其電壓降低,故障電壓中的諧波有效值也大大減小,有時可忽略;但故障電流迅速增大,成為不可忽略的因素,晶閘管不同于絕緣柵雙極型晶體管,直流側(cè)發(fā)生故障更不容易閉鎖,使12的整數(shù)次諧波源源不斷饋入直流側(cè),其次直流系統(tǒng)也會產(chǎn)生大量高頻諧波,會使保護范圍增大或減小。當(dāng)直流側(cè)線路出口發(fā)生金屬性單相接地故障時,對發(fā)生故障后的故障電流進行傅里葉分解,如圖4所示。諧波含量增多,進行3ms積分濾除處理后,結(jié)果如圖5所示,諧波含量減小,此處不再驗證6.7ms積分濾除效果,理論上可以濾除所有高頻信號。

圖4 故障諧波電流含量Fig.4 Fault harmonic current content

圖5 3ms濾波處理后故障諧波電流含量Fig.5 Fault harmonic current content after 3ms filtering

3 系統(tǒng)監(jiān)測特性分析

本文以監(jiān)測為手段,以保護為目標(biāo)展開研究。阻抗快速監(jiān)測段基于極短時間窗積分,較小閾值用于監(jiān)測系統(tǒng)嚴重故障,較大閾值用于監(jiān)測系統(tǒng)不正常運行狀態(tài);靈敏段保護和協(xié)調(diào)段保護針對輕微故障濾除諧波干擾而進行判定故障。本文利用較為完善的阻抗保護特性來監(jiān)測和保護線路運行狀況,可應(yīng)用于含分布式風(fēng)力發(fā)電的直流系統(tǒng)中。為了分析系統(tǒng)阻抗監(jiān)測特性,將以圖6為例,分別對系統(tǒng)阻抗監(jiān)測的快速段、靈敏段、協(xié)調(diào)段進行分析。

圖6 直流系統(tǒng)仿真模型Fig.6 DC system simulation model

3.1 阻抗快速監(jiān)測分析

根據(jù)圖2 可知,按照傳統(tǒng)的阻抗判據(jù),即便于B1點可以準(zhǔn)確判別故障,B1B也將由阻抗靈敏段保護識別切除,需要增加時間延遲,在一定程度上降低保護的靈敏度。系統(tǒng)中存在大量電力電子器件,系統(tǒng)會因B1B段判別所加的時間延遲而崩潰,鑒于上述情況,本文在傳統(tǒng)距離Ⅰ段的基礎(chǔ)上,加入快速監(jiān)測Ⅱ段。如圖2虛線所示,利用下一級線路出口電壓uB(t)及線路電流iBA(t)=-iBC(t)-iBD(t),計算本級反向阻抗,其測量誤差允許值由B1至B逐漸增加,可以彌補快速監(jiān)測Ⅰ段至靈敏段監(jiān)測的不足,故阻抗快速監(jiān)測Ⅰ段和Ⅱ段整定如下。

在直流系統(tǒng)發(fā)生故障瞬間,電容放電使電流急劇增大,電壓急劇減小,會造成瞬時測量阻抗較低的情況,為了保證方法的可靠性,本文采用

本段采用五點積分,僅起到消除個別極端誤差點的作用,對諧波特性保留相對完整。在50kV 直流系統(tǒng)中,電壓允許偏差極限-15%～+5%[17],功率偏差極限+15%～-20%[16],當(dāng)電壓和功率取偏差上極限得到此時電流允許誤差,以該線路50kV、0.6kA 情況下,測量阻抗為72.81Ω;各個參數(shù)取下極限時,測量阻抗為75.35Ω。設(shè)定當(dāng)監(jiān)測到的該線路阻抗Z1≤Zk≤75.35Ω,即系統(tǒng)可能存在不正常允許狀況,此時僅發(fā)出警告而不跳閘。

綜合上述分析,快速監(jiān)測Ⅰ段和快速監(jiān)測Ⅱ段相互配合監(jiān)測本級線路所有狀況,當(dāng)直流線路發(fā)生故障時,其測量阻抗低于任意門檻值,斷路器動作切除故障線路;當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生不正常非故障允許狀態(tài)時,亦可發(fā)出信號警示,以便值班人員及時調(diào)整。其邏輯如圖7所示。

圖7 阻抗快速監(jiān)測邏輯Fig.7 Impedance fast monitoring logic

3.2 阻抗靈敏段保護分析

阻抗靈敏段保護按照與相鄰線路快速監(jiān)測相互配合整定,但在新能源加入的多電源電力系統(tǒng)中,分支系數(shù)的出現(xiàn)影響阻抗的整定和靈敏度校驗[18]。如圖3所示,BC線路中發(fā)生故障,保護1的阻抗靈敏段實際電壓UA為

式中:ZAB為線路AB阻抗;zBC為線路BC單位阻抗;lk為故障點至B母線距離。

保護1的測量阻抗為

式中Kb=IBC/IAB為距離靈敏段的分支系數(shù)。保護1的實際阻抗為

比較式(6)與式(7),因為式(7)分支系數(shù)的存在,使測量阻抗大于實際阻抗,保護范圍減小。式(6)中IBC=-IBA+IBD,IBD為風(fēng)力發(fā)電輸入系統(tǒng)電流,具有很強的不確定性。當(dāng)無風(fēng)情況下IBD=0,Kb=0,此時Zk1=Z'k1;當(dāng)風(fēng)力較強時,IBD＞0,Kb＞1,測量阻抗增大,保護范圍減小,由于風(fēng)電的不確定性,使保護1的測量阻抗同樣具有不確定性。為解決這一問題,本文采用實時調(diào)整Kb來避免分支系數(shù)的影響。阻抗靈敏段整定如下:

式中:Km=IAB/IBC,IBC相對于IAB會有十幾ms的延遲,但是相對于距離靈敏段本應(yīng)有的0.5s延遲,通信延遲可以忽略不計1.22。于此同時,Z2的整定引發(fā)新的問題,當(dāng)線路存在故障時,IBC=0、Km=∞、Z2=∞,不利于保護動作。為解決此問題,將Z2分段整定,當(dāng)IBA＞0時,Z2按無Km進行整定,當(dāng)IBA＜0時,加Km系數(shù)進行整定。

3.3 阻抗協(xié)調(diào)段保護分析

阻抗協(xié)調(diào)段作為遠后備保護方式,通常按最大負荷電流進行整定,其整定如下:

式中:額定電壓UN=50kV;IL.max=700A;可靠系數(shù);自啟動系數(shù)Kss=2.5;考慮直流偏磁等因素的影響,進一步增加保護的可靠性,令Kx=2。

3.4 三段配合分析

阻抗快速監(jiān)測分析、阻抗靈敏段保護分析和阻抗協(xié)調(diào)段保護分析協(xié)調(diào)關(guān)系如圖8所示,圖中x表示故障發(fā)生的位置,Z表示x處發(fā)生故障的測量阻抗,Zset1、Zset2和Zset3為各段的整定阻抗。本文主要研究線路AB 的保護,快速Ⅰ段正向保護線路70%,快速Ⅱ段反向保護線路70%,Ⅰ、Ⅱ段保護線路全長且留有一定余地,僅為保護固有時間,無添加延遲;靈敏段和協(xié)調(diào)段作為后備保護,分別添加0.5 s和1 s的延時,以防止越級跳閘,靈敏段可保護相鄰線路的18.71%,協(xié)調(diào)段可保護所有線路。

圖8 階梯保護示意圖Fig.8 Schematic diagram of ladder protection

由于系統(tǒng)不正常運行狀況過多,諧波、系統(tǒng)振蕩、高阻接地等等,且監(jiān)測每種情況所用時間需具體分析,故圖中暫未標(biāo)注快速段監(jiān)測系統(tǒng)不正常運行狀態(tài)情況[19]。

4 仿真驗證

利用PSCAD/EMTDC 電磁仿真軟件平臺,搭建含分布式風(fēng)電的±50kV 直流電網(wǎng)仿真模型,如圖1所示,相關(guān)模型其他參數(shù)如表1所示,采樣頻率為50kHz故障發(fā)生在假設(shè)0ms(4000個點)處。

表1 直流輸電網(wǎng)模型參數(shù)Table 1 Model parameters of DC transmission network

4.1 單極接地故障仿真

以直流輸電系統(tǒng)AB線路首段端發(fā)生單極接地故障時為例,進行仿真驗證,如圖9所示,快速Ⅰ段迅速識別故障;未超過快速Ⅱ整定值;靈敏段于點4200(即故障發(fā)生10ms后)判別后需增加0.5s時間延遲方可動作;協(xié)調(diào)段于點4123(6.15ms),對于保護1跨越2級線路,判別后需增加1s時間延遲后動作。靈敏段整定值按照時變電流整定,發(fā)生故障瞬間會有尖波沖擊,由于具有0.5s的時間延遲,因此對保護判別無較大影響。

圖9 AB 首端單極故障故障極仿真結(jié)果Fig.9 Simulation results of the single-pole fault at the AB head end

對于健全極,仿真結(jié)果如圖10所示,其測量值均遠遠高于整定值,健全極各段均可靠不動作。

圖10 AB 首端單極故障健全極仿真結(jié)果Fig.10 Sound pole simulation results of AB head-end single-pole fault

4.2 各段協(xié)調(diào)配合仿真

對系統(tǒng)特殊節(jié)點進行仿真,如表2所示,表中第1列表示故障點至線路AB首端的距離,中間數(shù)據(jù)為發(fā)生故障后多久可以判別故障。其中,1-Ⅲ數(shù)據(jù)最小,判斷速度最快;1-Ⅰ、2-Ⅰ其次;1-Ⅱ最慢;這是因為1-Ⅰ、2-Ⅰ時間窗最短,不能完全避免發(fā)生瞬間的短暫沖擊,造成測量阻抗略小于實際阻抗,經(jīng)仿真驗證,其影響較小,最嚴重故障情況也可避免越級跳閘。經(jīng)對比表2數(shù)據(jù)與圖8相吻合?？蓪崿F(xiàn)各段的階梯配置。

表2 關(guān)鍵節(jié)點仿真數(shù)據(jù)Table 2 Key node simulation verification data

5 結(jié)論

本文針對含分布式風(fēng)力發(fā)電接入的直流電網(wǎng)使系統(tǒng)諧波增加提出的階梯式阻抗監(jiān)測方案,設(shè)置不同的相適應(yīng)的積分時間,形成互聯(lián)階梯阻抗監(jiān)測方案,通過分析得到以下結(jié)論:

1) 快速監(jiān)測Ⅰ段和Ⅱ段相互配合,監(jiān)測線路全長,通過設(shè)置兩段閾值,可以發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)嚴重故障后迅速切除,亦可發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)不正常運行狀態(tài)。

2) 靈敏段保護可以保護監(jiān)測線路全長及相鄰線路的一部分,為本級線路的近后備保護,該段也解決了汲出系數(shù)影響。

3) 協(xié)調(diào)段保護可做相鄰線路的遠后備保護,將含量最多的某次諧波積分一周期,濾除系統(tǒng)中大多數(shù)諧波,可靠性最高。

本文運用的最原始單端電氣量,簡單可靠,無需考慮通信延遲影響,該積分算法反應(yīng)故障積累過程,可以有效對抗諧波影響。最后,通過PSCAD 驗證了該方案具有工程推廣價值。