逆变类电源接入场景下传统方向保护适应性分析-山东大学_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、风电等）接入电网后，改变了传统电网中同步机电源的特性，对继电保护系统提出了新的挑战。主要接入场景包括：

• 含高比例光伏的有源配电网：分布式光伏通过逆变器接入配网，导致馈线中潮流和故障电流双向流动，幅值与相位具有较大不确定性。
• 光伏电站送出系统：光伏阵列经逆变和升压后接入电网，送出线路一端为逆变类电源，另一端为同步机电源。
• 风电场交流送出系统：分为双馈机型和永磁直驱机型，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。
• 含逆变站受端交流系统：受端线路一端连接逆变站，另一端为同步机电源。

这些场景下，传统方向保护元件在判别故障方向时可能失效，需重新评估其适应性。

二、传统方向元件及理论依据

1. 90°接线方向元件

• 理论基础：基于线路两侧系统等效为同步机电源，正、反向故障时故障相电流与非同名相间电压之间的相位差稳定。
• 动作判据：
  $$
  • 90^{\circ} - \alpha < \arg \left(\frac{\dot{U}_r}{\dot{I}_r}\right) < 90^{\circ} - \alpha
    $$
    其中，$\alpha = 90^{\circ} - \varphi_k$，$\varphi_k$ 为线路阻抗角。
• 局限性：当线路阻抗角变化或存在过渡电阻、负荷等因素时，相位差可能接近动作边界，导致误判。

2. 正序故障分量方向元件

• 理论基础：基于故障前后内电势不变，采用叠加原理消除其影响，正、反向故障时正序电流与电压相位差基本为 $180^{\circ}$。
• 动作判据：
  $$
  • (90^{\circ} - \varphi_{m1}) < \arg \left(\frac{\Delta \dot{U}_1}{-\Delta \dot{I}1}\right) < 90^{\circ} + \varphi{m1}
    $$
• 局限性：在逆变类电源接入场景下，正序故障分量的相位差可能超过 $90^{\circ}$，导致误判风险。

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

• 逆变器输出为压控电流源，不具备同步机电源的恒定相位特性。
• 在低电压穿越时，逆变器会抑制负序电流并输出正序电流，影响方向元件的判据。

2. 90°接线方向元件适应性分析

• 不同故障类型下，$\arg \left(\frac{U_{BC}}{I_A}\right)$ 变化范围较大，接近动作边界。
• 仿真结果显示：
  • 区内故障时，DG端可能误判。
  • 上游区外故障时，线路两端均可能发生误判。

3. 正序故障分量方向元件适应性分析

• 在逆变类电源接入场景下，$\arg \left(-\frac{\Delta U_{nl}}{\Delta I_{nl}}\right)$ 的变化范围可能超过 $90^{\circ}$，导致误判。
• 仿真数据表明：
  • 案例1：双馈风机，区内故障时两端均能正确判别。
  • 案例2：直驱+双馈风机，区内故障时风场侧误判。
  • 案例3：直驱+双馈风机，区内故障时风场侧误判。
  • 案例4：直驱+双馈风机，区内故障时风场侧判别正确但接近边界。
  • 系统侧在所有案例中均能正确判别。

4. 适应性问题根源

• 逆变类电源不具备同步机电源特性，其并网点处电压与电流的相位关系不稳定。
• 背侧阻抗不再表现为稳定的感性阻抗，幅值与相角变化范围大。
• 传统方向元件的理论基础在逆变类电源接入场景下被破坏，导致误判风险。

四、仿真及录波数据验证

1. 有源配电网仿真验证

• 区内故障时，DG端方向误判，N端也可能误判。
• 区外故障时，线路两端均可能发生误判。
• 仿真结果表明，传统方向元件在逆变类电源接入系统中不具有可靠性。

2. 风电送出线路录波数据验证

• 针对四个实际故障案例，分析正序故障分量方向元件的动作情况。
• 风场侧在部分案例中出现误判，系统侧均能正确判别。
• 风场侧判别结果接近动作边界，存在误判风险。

五、结论与建议

1. 核心结论

• 逆变类电源接入电网后，其输出特性不同于同步机电源，导致传统方向元件的理论基础失效。
• 90°接线方向元件和正序故障分量方向元件在逆变类电源接入场景下均存在误判风险。
• 高比例光伏接入的配电网和逆变类新能源送出系统不适合采用传统方向元件构成方向过流保护或方向纵联保护。

2. 建议

• 应依据逆变类电源的故障特性，研究新型方向识别原理。
• 在新能源接入场景下，电流差动保护仍具有很大优势，应优先采用。