2023-12-26-山东大学-逆变类电源接入场景下传统方向保护适应性分析_20页_3mb

逆变类电源接入场景下传统方向保护适应性分析总结

一、逆变类电源接入场景

逆变类电源（如光伏、风电）接入电网后，改变了传统同步机电源的特性，导致电网中潮流与故障电流双向流动，电压与电流的幅值及相位关系变得不稳定。报告分析了以下四种典型接入场景：

• 场景1: 含高比例光伏的有源配电网
  分布式光伏经逆变器接入配网，馈线中潮流与故障电流双向流动，传统方向元件是否能正确判别故障方向存在不确定性。

• 场景2: 光伏电站送出系统
  光伏阵列经逆变、升压后并入电网，送出线路一端为逆变类电源，另一端为同步机电源，方向纵联保护是否能正确识别故障方向成为关键问题。

• 场景3: 风电场交流送出系统
  风电场中，双馈型和永磁直驱型发电机均通过背靠背换流器并网，送出线路一端为同步机电源，另一端为非全功率或全功率逆变类电源，方向元件对故障方向的识别能力面临挑战。

• 场景4: 含逆变站受端交流系统
  受端交流线路一端连接逆变站，另一端为同步机电源，方向元件在故障识别时可能失效。

二、传统方向元件及理论依据

传统方向元件主要依赖以下两种原理：

1. 90°接线方向元件
   基于线路两侧系统等值为同步机电源，正、反向短路时故障相电流与非同名相间电压的相位差具有显著差异。该元件通过相位差判断故障方向，但其理论基础依赖于同步机电源特性。

2. 正序故障分量方向元件
   利用故障前后内电势不变的特性，通过叠加原理消除其影响，基于正序电压与电流的相位关系判断故障方向。其理论基础同样依赖同步机电源特性。

三、方向元件对逆变类电源的适应性

1. 逆变类电源等值模型

逆变类电源在正常运行时表现为压控电流源，故障时根据控制策略（如低电压穿越、抑制负序电流）调整输出电流，其电压和电流的相位关系不稳定，且背侧阻抗不再为稳定的感性阻抗。

2. 90°接线方向元件适应性分析

• 在不同故障类型下，$\arg \left(\frac{U_{\mathrm{BC}}}{I_{\mathrm{A}}}\right)$ 等参数的变化范围较大，接近动作边界。
• 考虑过渡电阻和负荷影响，90°接线方向元件存在误判风险。

3. 正序故障分量方向元件适应性分析

• 在限流及抑制负序策略下，$\arg \left(-\frac{\Delta U_{\mathrm{nl}}}{\Delta I_{\mathrm{nl}}}\right)$ 的变化范围可能超过 $90^{\circ}$，导致误判风险增加。
• 传统理论基础被破坏，方向元件无法准确识别故障方向。

4. 适应性问题的根源

• 逆变类电源不具备同步机电源的特性，其输出电流与电压的相位关系不稳定。
• 故障等值网络发生变化，背侧阻抗不再具有稳定感性特性，破坏了方向元件的理论前提。

四、仿真及录波数据验证

1. 有源配电网仿真验证

• 系统模型：10kV线路，含2MW光伏DG，线路为电缆，负荷为2MVA和4MVA。
• 故障条件：设置区内和区外故障，分别分析AB相间、三相、CA相间等短路情况。
• 动作判据：$\arg \left(\frac{\dot{U}{r}}{\dot{I}{r}}\right)$ 在 $-143^{\circ} < \arg < 37^{\circ}$ 时为正向，反之为反向。
• 验证结果：
  • 区内故障时，DG端可能发生误判。
  • 上游区外故障时，线路两端均可能发生误判。
  • 系统侧在多数情况下能正确判别故障方向。

2. 风电送出线路录波数据验证

• 故障案例：共4个案例，涉及不同风机类型（双馈、直驱+双馈）及不同故障相别。
• 验证结果：
  • 案例1：双馈风机，区内故障，两端均能正确判别。
  • 案例2：直驱+双馈风机，区内故障，风场侧误判。
  • 案例3：直驱+双馈风机，区内故障，风场侧误判。
  • 案例4：直驱+双馈风机，区内故障，风场侧虽能判别，但接近动作边界。
  • 所有案例中，系统侧均能正确判别。

五、结论与建议

核心结论

1. 逆变类电源因控制策略不同，只能等效为压控电流源，不具备同步机电源的稳定特性。
2. 传统方向元件依赖同步机电源特性，逆变类电源接入后其理论基础不再成立，易导致误判。
3. 高比例光伏接入配电网和新能源送出系统中，传统方向元件无法满足继电保护要求。

建议

1. 需要根据逆变类电源的故障特性，研究新型方向识别原理。
2. 在新能源接入场景下，应优先采用电流差动保护，因其在逆变类电源接入后仍具有较高可靠性与适应性。
3. 未来需进一步优化方向元件的判据，以适应新能源接入后的电网运行特点。