新型电力系统故障暂态电气量频域特征及其应用-上海交大

新型电力系统故障暂态电气量频域特征及其应用总结

核心内容

随着“双碳”目标的推进，传统电力系统正逐步向以逆变型电源（如换流站、逆变器）和旋转电源共存的新型电力系统转变。这一转变显著改变了电力系统的故障特征，对传统保护装置提出了新的挑战。

主要观点

1. 故障特征变化

   • 传统电力系统中，故障电流幅值通常为正常负荷电流的7-10倍，而新型电力系统中，由于逆变型电源的控制特性，故障电流幅值受限，通常为正常负荷电流的1-2倍。
   • 故障电流相位受控，导致线路两侧故障相电流相位差显著增大。

2. 传统保护的适应性下降

   • 距离保护：受附加阻抗（阻容性/阻感性）影响，存在拒动和误动的风险，且可能无法覆盖本段线路全长。
   • 电流保护：故障电流幅值受限，导致保护灵敏度下降，存在拒动风险。
   • 电流差动保护：线路两侧电流相位差过大，导致灵敏度降低甚至拒动。
   • 选相元件：突变量选相和序分量选相的适应性下降，因正负序分流系数不相等。

3. 新型保护方案的提出

   • 基于附加阻抗解析模型的距离保护：利用测量阻抗和附加阻抗的关系求取故障距离，适用于柔直换流站和新能源场站送出线路。
   • 高频阻抗差动保护：利用高频阻抗差动判据区分区内外故障，不受逆变器控制策略影响，适用于含高比例新能源的配电网。
   • 暂态高频电压纵联保护：通过补偿电压差与门槛值的比较，实现区内外故障识别，适用于新能源场站汇集线路。

4. 频域特征分析

   • 高频分量主要存在于故障后的固有拓扑响应阶段（约5ms内），受换流器控制影响小，因此适用于新型电力系统。
   • 逆变器的高频次导通和关断产生谐波分量，且在直流滤波器特征频率处表现出强电感性，影响高频阻抗特性。

5. 过渡电阻与故障时刻影响

   • 高频阻抗差动保护对过渡电阻具有较强的抗性，且不受故障时刻影响，具有较高的可靠性。

6. 控制策略的影响

   • 控制策略主要在电磁暂态后期起作用，对高频暂态电气量影响较小，因此新型保护方案对控制策略的依赖度较低。

关键信息

保护性能对比

未来研究方向

• 保护原理改进：在新型电力系统初期，传统基于工频分量的保护原理需进行改进以适应新的故障特征。
• 控制与保护协同技术：随着系统复杂性的增加，控制与保护的协同技术将成为研究重点。
• 人工智能算法：人工智能在继电保护中的应用将为系统提供更智能、更高效的保护方案。

仿真验证

• 基于附加阻抗解析模型的距离保护能够正确区分区内外故障。
• 高频阻抗差动保护和暂态高频电压纵联保护在不同故障类型和位置下均能可靠区分区内外故障。
• 高频阻抗差动保护对过渡电阻和故障时刻具有较强的抗性。

结论

新型电力系统中，由于逆变型电源的引入，传统保护装置面临适应性下降的问题。基于故障暂态电气量频域特征的保护方案，如高频阻抗差动保护和暂态高频电压纵联保护，能够有效应对新型系统带来的挑战，具备较高的可靠性和适应性。未来，保护与控制协同及人工智能算法的应用将是提升新型电力系统保护性能的重要方向。