基于复合序电流特征的构网型新能源外送线路纵联保护

摘要 构网型新能源集中外送系统接入显著改变了电网的故障特征，外送线路发生故障时传统纵联保护易出现灵敏度降低甚至拒动风险。基于此，提出一种基于复合序电流的构网型新能源机组外送线路纵联保护新原理。考虑故障时构网型新能源机组固有控制策略对正序分量和负序分量的限制作用，将构网型新能源外送线路的故障分为对称性故障、不对称性故障和集中外送故障3类，并利用正序分量、负序分量构造保护判据，针对集中外送故障场景提出利用正序突变量构造保护判据。在此基础上，将3种故障特征量融合并构造基于复合序电流的保护判据，进一步提升保护的灵敏性与速动性。在PSCAD中搭建构网型新能源集中外送系统模型验证所提保护新原理的性能。仿真结果表明，所提方案在高阻接地情况下，仍具有较高的灵敏度。

1 构网型新能源机组控制方案

1.1  故障限流策略

构网型控制技术通过调节接入点电压的幅值和相位来控制注入功率。构网型控制策略在运行时采集公共接入点的三相电压电流信号，通过功率外环控制形成电压幅值信号U*与相位信号θ*，利用脉冲宽度调制（pulse width modulation，PWM）技术生成开关器件的驱动信号。构网型控制技术典型控制流程如图1所示。

图1  构网型变流器控制流程

Fig.1  Grid-forming converter control process

在图1中，uabc、iabc分别为变流器系统侧公共接入点的三相电压与电流；Re、Le分别为变流器端口到公共接入点的等效电阻与电感；Rg、Lg分别为系统侧线路的等效电阻与电感。

构网型控制技术通过模拟同步发电机的运行特性，使新能源机组呈现出相似的外特性。但构网型变流器承受的过流能力有限，为避免故障电流过大导致开关器件损坏，构网型控制策略通常包含故障限流策略。

目前构网型变流器采用的故障限流策略可分为电流直接限幅与电流间接限幅2类。电流直接限幅通过修改电流内环的参考值调整输出电流的大小和相位；电流间接限幅引入可调整的虚拟阻抗，通过控制增大内部虚拟阻抗实现限流。故障限流策略能够将故障期间构网型变流器提供的故障电流限制在额定电流的1.2~1.5倍，因此故障限流策略会削弱系统故障等大扰动情况下的电气特征。

1.2  负序抑制策略

在构网型变流器的控制方式有下垂控制、虚拟振荡器控制和虚拟同步机控制3类，其中，下垂控制具有原理简单、运行稳定、响应速度快等优势，但无法模拟同步发电机的惯性与阻尼特性，即在面临快速变化的负荷或电网故障时，其无法快速调节发电单元的实际输出功率。此外，该控制策略也无法有效抑制电压、频率振荡现象。基于虚拟振荡器控制的变流器也不具备惯性环节，大规模接入电网时会削弱电网惯性，降低电网的稳定性。虚拟同步机控制则是在下垂控制的基础上增加了对同步发电机惯性、阻尼特性的模拟，该控制策略能有效提升系统的稳定性与可靠性。目前，虚拟同步机控制技术因其优良特性已在构网型变流器中得到了广泛研究与实践。因此，本文以虚拟同步机控制的构网型变流器为背景分析负序抑制策略。

当系统侧电压发生三相不平衡跌落时，公共接入点的不平衡电压会导致构网型VSG的输出电流呈现出三相不平衡特性，此时并网变流器的输出功率中包含了直流分量和倍频的有功功率分量与无功功率分量。为避免系统侧不对称故障导致并网变流器出现输出电流不对称以及输出功率倍频震荡问题，通常会将负序电流的指令设置为0，以抑制有功功率与无功功率的倍频分量。

构网型变流器功率控制环输出的参考电压经过坐标变换与正负序分离，可得正序电流指令，同时将负序电流指令设置为0。经正序电流控制环与实际正序电流相减并乘以系数得到正序电压指令。同理，经负序电流控制环与实际负序电流相减并乘以系数得到负序电压指令，最终合成电压指令。因此，构网型变流器在处理电流不对称及输出功率震荡问题时，会导致其输出负序电流为0，对外表现为负序抑制特性。

2 构网型新能源机组故障序电流特征分析

以构网型光伏发电机组为基础搭建构网型新能源机组集中外送系统，拓扑结构如图2所示。其中，PVn为第n组光伏发电机组；PCC为并网点；ZL1为故障点至场站侧外送线路的等值阻抗；ZL2为故障点至系统侧外送线路的等值阻抗；Zs为系统侧等值阻抗。

图2  构网型新能源机组集中外送系统

Fig.2  Grid-forming new energy set centralized outward transmission system

外送线路发生故障时，系统侧提供的短路电流Is为

式中：E为系统侧等值电源；Zs为系统侧等值阻抗；ZL2为故障点至系统侧外送线路的等值阻抗。

外送线路发生对称性故障时，系统侧提供的短路电流可达额定运行电流的数倍。而构网型新能源机组在故障限流策略的作用下，其提供的短路电流被限制在额定电流的1.2~1.5倍。因此在构网型新能源机组接入数量较少时，场站侧与系统侧提供的短路电流有明显差别，传统纵联保护能够正确动作。

但在新能源机组集中外送场景下，多台构网型新能源机组并联在一条母线上，共同向系统输送电能，此时外送线路发生故障时场站侧提供的短路电流Iw为

式中：N为构网型新能源机组接入数量；k为在故障限流策略作用下单台机组的故障电流限制系数，取1.2~1.5；IN为单台机组的额定运行电流。

随着构网型新能源机组接入数量的提升，场站侧提供的短路电流不断增大，可能导致两侧短路电流近似相等，传统纵联保护无法正确动作。由于故障时系统侧与场站侧提供的故障电流方向相反，此时可通过计算两侧的电流突变量放大故障特征，进而判别故障。

外送线路发生不对称性故障时，在负序抑制策略的作用下，此时场站侧提供的负序电流接近于0，而系统侧提供的负序电流不受影响，因此两侧负序电流有明显差别，可利用此特性判别不对称性故障。

3 基于复合序电流特征的纵联保护新原理

3.1  多故障场景下基于序电流特征的故障判据

新能源机组接入导致系统故障时呈现出幅值受限和相位受控的特征，致使传统纵联保护无法正确识别故障。为解决这一问题，本文分析了构网型新能源机组接入场景下由控制策略引起的故障特征，有以下结论：

1）外送线路发生不对称性故障时，在负序抑制策略的作用下场站侧基本不提供负序电流，两侧负序电流差别较大；

2）外送线路发生对称性故障时，故障限流策略限制了场站侧提供的故障电流。当构网型新能源机组接入数量较少时，两侧故障电流差别较大；当构网型新能源机组接入数量较多时，两侧故障电流差别较小，此时可计算电流突变量放大故障特征。

因此，可将构网型新能源机组的故障场景简化为3类：对称性故障、不对称性故障、新能源机组集中外送系统故障。分别利用故障电流的正序分量、负序分量、正序突变量构造保护判据，充分利用场站侧与系统侧电流幅值差异这一重要特征，同时舍去相角判据，规避相角受控带来的误判风险。判据构建方法如下。

1）对称性故障。若新能源机组的接入数量较少，在故障限流策略的影响下，系统侧提供的短路电流Is远大于场站侧提供的短路电流Iw，基于线路两侧的正序电流同样符合该故障特征，因此可以选取正序电流幅值比构建判据，即

式中：Is1为系统侧提供短路电流正序分量的幅值；Iw1为场站侧提供短路电流正序分量的幅值；K1为正序电流比例系数。

2）不对称性故障。构网型新能源机组包含负序抑制策略，发生不对称故障时场站侧提供的负序电流基本为0，而系统侧负序电流相对较大，即使在高阻接地下，两侧负序电流也有显著差异，因此可以利用负序电流构建判别不对称故障的保护判据，即

式中：Is2为系统侧提供短路电流负序分量的幅值；Iw2为场站侧提供短路电流负序分量的幅值；K2为负序电流比例系数。

3）新能源机组集中外送系统故障。当新能源机组集中外送线路发生对称性故障，由于构网型新能源机组接入数量较多，系统侧与场站侧提供的短路电流可能相近。考虑到场站侧与系统侧故障电流反向，以正常运行时外送线路的穿越电流为基准，引入正序电流突变量构建保护判据，此时场站侧正序电流突变量ΔIw1为

式中：Iw1为发生对称性故障时场站侧提供故障电流的正序分量；IL为正常运行时外送线路穿越性电流的正序分量；Iw1为Iw1的幅值；IL为IL的幅值。

系统侧正序电流突变量ΔIs1为

式中：Is1为发生对称性故障时系统侧提供故障电流的正序分量；Is1为Is1的幅值。

尽管线路两侧正序电流接近，但在IL的影响下，线路两侧正序电流突变量仍存在较大差异，因此可以构建判据，即

式中：K3为正序电流突变量比例系数。

此外，新能源机组集中外送线路发生不对称性故障时，负序抑制策略同样使场站侧基本不提供负序电流，因此利用不对性故障判据即可判别故障。

综上所述，在以上3种故障场景下，场站侧的故障特征量总是大于系统侧。为了进一步提升保护的在新能源集中外送场景下的灵敏性和可靠性，融合3种故障特征量构成复合序电流特征量，并为负序分量判据与电流突变量判据赋予更高的权重。场站侧复合序电流特征量Iw-comp为

式中：m1、m2分别为权重系数，通常可取4~6。

系统侧复合序电流特征量Is-comp为

构建的保护综合判据可表示为

式中：Krel为可靠系数，通常可取1.2~1.5。

3.2  纵联保护运行方案

本文所提纵联保护判别流程如下。

1）首先实时采集线路两侧电流，并利用电流突变量启动元件进行启动判定。

2）若满足启动判据，提取启动时刻后5 ms内系统侧与场站侧的三相故障电流。

3）利用傅里叶变换分别求解两侧故障电流的正序与负序分量，并取启动时刻前5 ms内的电流作为正常运行时的穿越电流，以此为基准计算两侧的正序电流突变量。

4）将求得的特征量依次代入3类故障判据进行判断，若满足判据，则保护跳闸。若不满足，则合成复合序电流，代入式保护综合判据进一步判断，若满足判据，则保护跳闸。若不满足，则保护退出，并持续监测故障。

4 仿真验证

为验证本文所提的构网型新能源机组集中外送场景下纵联保护新原理，利用PSCAD搭建新能源集中外送系统，以光伏发电机组为例，采用虚拟同步机控制技术构建构网型新能源机组。依次验证对称性故障、不对称性故障、新能源机组集中外送系统故障3类场景下纵差保护的有效性。

4.1  不同场景下故障特征量验证

4.1.1  对称性故障场景

在构建的构网型新能源机组集中外送模型中，通过调整构网型新能源机组的容量反映机组的接入数量。当构网型新能源机组接入数量较小时，设置外送线路发生三相接地故障，故障发生时刻为2 s。提取故障发生后场站侧与系统侧的故障电流，利用傅里叶变换分离正序分量，两侧的正序分量如图3所示。由图3可知，故障发生后，构网型新能源机组的故障限流策略立即投入运行，将场站侧的故障电流限制在额定运行电流的1.2倍左右，因此其正序分量的幅值变化不明显。而系统侧提供的故障电流不受故障限流策略的影响，仅与系统侧等值阻抗与系统侧线路阻抗相关，因此其正序分量幅值较大。可见，两侧正序分量幅值差别较大，因此能够用于构建保护判据。

图3  对称故障场景下系统侧与场站侧正序电流

Fig.3  Grid-side and power-side positive sequence current for symmetrical fault scenarios

4.1.2  不对称性故障场景

保持构网型新能源机组的容量不变，设置外送线路发生单相接地故障，故障发生时刻为2 s。提取故障发生后场站侧与系统侧的故障电流，利用傅里叶变换分离负序分量，两侧的负序分量如图4所示。由图4可知，故障发生后，构网型新能源机组在负序抑制策略的作用下基本不提供负序电流，而系统侧不受负序抑制策略的影响，所提供的负序电流幅值较大。可见，两侧负序电流的幅值有显著差别，且这一特征在所有不对称故障场景下均较为明显，因此能够用于构建保护判据。

图4  不对称故障场景下系统侧与场站侧负序电流

Fig.4  Grid-side and power-side negative sequence current for unsymmetrical fault scenarios

保持故障条件不变，设置接地电阻分别为100 Ω、1 000 Ω、3 000 Ω和5 000 Ω，验证高阻接地对负序判据的影响。研究发现虽然接地电阻增大会削弱系统侧提供的负序电流，但仍远大于场站侧提供的负序电流，两侧负序电流幅值比较大。因此该判据反映的故障特征较为明显，基本不受接地电阻的影响。

4.1.3  新能源机组集中外送系统故障场景

增加构网型新能源机组的接入容量，模拟构网型新能源集中接入场景。设置三相接地故障，故障发生时刻为2 s。由于外送线路发生故障后，场站侧与系统侧的故障电流方向相反，因此可以利用正序电流突变量特征识别故障。以正常运行时外送线路的穿越电流为基准，将两侧故障电流分别与穿越电流做差，并利用傅里叶变换分离正序分量，得到两侧正序突变量，如图5所示。由图5可知，由于构网型新能源机组接入数量的增加，故障时场站侧提供的故障电流与系统侧相近，但在故障限流策略的影响下，其与正常运行下的穿越电流仍保持1.2倍关系。因此在引入正序突变量进行分析后，场站侧正序电流突变量的幅值约为额定电流的0.2倍，而系统侧提供的故障电流与穿越电流反向，其正序电流突变量的幅值约为额定电流的2倍。可见，利用系统侧与场站侧故障电流反向特性，引入穿越电流计算两侧正序电流突变量，有效放大了故障特征，因此能够用于构建保护判据。

图5  新能源机组集中外送系统故障场景下系统侧与场站侧正序突变量

Fig.5  Grid-side and power-side positive sequence mutation current for new energy set centralized outward transmission scenarios

4.2  基于复合序电流的综合判据及纵联保护速动性验证

本文设置不同的故障条件判断在新能源集中外送场景下，采用的权重系数m1=m2=4，故障判别结果如表1所示。由表1可知，在构网型新能源机组集中外送场景下，此时由正序分量构造的保护判据几乎无效，因此有必要利用复合序电流判据识别故障。当外送线路发生故障时，为正序突变量设置的权重会放大两侧的故障特征，放大两侧复合序电流的幅值差异。其中，若发生不对称故障，则为负序分量设置的权重会进一步放大的两侧故障特征，使两侧复合序电流呈现出明显差异。可见，在不同故障条件下系统侧与场站侧的复合序电流幅值比均大于可靠系数，因此本文提出的复合序电流判据可以准确识别构网型新能源集中外送场景下送出线路的故障。

表1  不同故障条件下综合判据的故障识别效果

Table 1  Fault identification effect of the comprehensive criterion under different fault conditions

为了保证纵联保护能够快速切除故障，设置故障时间为2 s，分别设置不同故障条件，针对单相接地、两相短路、两相接地、三相短路、三相接地5种典型故障进行多次实验，保护动作时间均不超过5 ms。研究发现，在4种故障类型下保护动作最长时延分别为3.248 ms、3.421 ms、3.368 ms、4.622 ms、3.380 ms，纵联保护动作时间均在5 ms以内，本文所提方案能够在故障发生后短时间内识别并切除故障，因此能够满足继电保护的速动性要求。

5 结论

针对构网型新能源集中外送系统因幅值受限、相角受控特性致使传统纵联保护适应性下降问题，提出了一种基于复合序电流的纵联保护新原理，利用PSCAD构建构网型集中外送系统，设置不同故障条件分析验证，得到如下结论。

1）考虑构网型新能源机组固有控制策略的影响，由故障电流正序分量与负序分量构造的保护判据均能准确识别故障。与传统纵联保护方案相比，所提判据充分利用场站侧与系统侧故障电流的幅值特征，并通过舍去相角判据规避相角受控的影响。

2）充分考虑了新能源集中外送场景的故障特征，提出利用正序突变量构造保护判据，利用场站侧与系统故障电流的反向特性放大故障特征，显著提升了故障识别的准确性。

3）在保护装置的现实需求下，融合3种故障特征，构造基于复合序电流比幅的纵联保护新判据，仿真结果表明该判据在速动性和灵敏性方面均有显著提升。

本文研究主要针对构网型新能源集中外送系统的保护新原理研究，提出适用于构网型新能源大规模外送场景下的可靠纵联保护方案。未来可以立足于“控保协同”思路，充分利用新能源机组的硬件优势，开发自主注入探测信号的故障识别方案，克服被动保护始终受新能源渗透率制约的缺陷。