電流差動保護在柔直接入的交流電網中適應性分析及改進措施研究

賴逸洋，王增平，王 彤

電流差動保護在柔直接入的交流電網中適應性分析及改進措施研究

賴逸洋，王增平，王 彤

(新能源電力系統國家重點實驗室(華北電力大學)，北京 102206)

為適應新能源規?；尤腚娋W，柔性直流輸電技術應用日益廣泛，我國電網已初步成為交直流混聯電網。交流系統發生故障時，柔直系統提供短路電流的特征與傳統同步發電機相比發生顯著變化。首先分析故障特征的變化，柔直側由于故障電流幅值受限，且負序阻抗無窮大，導致故障電流的幅值和相角與交流側不同。分析了輸電線路電流差動保護由于區內故障時兩側電流夾角增大，導致電流差動保護的動作量減少、制動量增加，導致靈敏度下降甚至拒動。在此基礎上，提出了差動保護判據的改進方案：分別利用零序電流、負序電流和正序電流突變量構成輔助判據，提高區內接地故障和相間短路時電流差動保護的靈敏度，從而提高了差動保護在含柔直接入交流電網中動作的可靠性。最后，通過仿真驗證了所提方案的可行性。

柔性直流輸電；差動保護；交直流混聯系統；交流故障

0 引言

隨著光伏、風電等新能源規?；尤腚娋W，電力系統的波動性增加，運行方式變化大[1-4]。由于柔性直流輸電具有獨立控制有功無功、不存在換相失敗、能提供動態無功支撐等優點，新能源經柔直接入電網，可以有效改善電力系統的運行條件。因此，基于模塊化多電平換流器的高壓直流輸電(modular multilevel converter based high voltage direct current, MMC-HVDC)技術在我國得到快速的發展和應用[5-8]，我國電網已初步成為含柔直的交直流混聯電網。柔直換流器主要由IGBT組成，慣性小，響應快，故障電流受控制策略影響。因此在接入交流系統時，會對傳統的交流保護造成影響[9-12]。電流差動保護作為220~750 kV電網的主保護，有必要研究其在含柔直接入交流電網中的適應性。

目前已有研究分析了柔性直流輸電系統貢獻短路電流的特性和機理，提出了交直流混聯系統中柔性直流輸電系統貢獻短路電流的數學模型和計算方法[13]。在此基礎上，文獻[14]提出基于柔直控制方式的等效矢量分析方法，簡要分析了不同控制方式下柔直側和交流側故障電壓、電流的相位關系。發生不對稱故障時，受柔直控制策略的影響，柔直換流器向故障點饋入的短路電流中正序分量幅值受限，負序分量被抑制為零[15]。

針對柔直接入交流電網后電流差動保護的適應性，有以下研究成果。文獻[16]分析了交流線路發生不對稱短路時，電流差動保護在交流系統為強、弱兩種情況下的動作性能，并指出交流系統越弱，差動保護靈敏性越低，甚至可能拒動。文獻[17]以渝鄂柔性直流工程為背景進行分析，從故障電流幅值的角度分析了柔直接入對差動保護的影響，并指出要提高電流差動保護在含柔直的交流電網中的適應性，不能關注單一的工頻相電流。文獻[18]指出故障類型、功率參考值、過渡電阻和電壓不平衡度等因素都會對電流差動保護的可靠性造成影響。

當前的研究熱點是如何改進電流差動保護使其在含柔直接入的交流電網中仍有較高的可靠性。由于交流側故障特性明顯，令柔直側的差動保護啟動跟隨交流側差動保護啟動可以提高靈敏度[14]，但該策略沒有充分利用柔直側故障電流的特征，過于依賴交流側。針對相間短路故障和對稱故障，在兩側短路電流相角差小于90°時取制動分量為零，大于90°時修改制動分量從而削減相角差帶來的靈敏度降低程度，可以提高差動保護可靠性[19]。但該策略忽略了電容電流的影響，仍有待改進。也有部分研究根據不同的指標計算故障時兩側保護安裝處的波形相似度，以此判別區內、外故障，如余弦相似度[20-21]、Tanimoto相似度[22]、pearson相關系數[23]等。文獻[24]提出利用突變量來判別區內外故障的思路，電流突變量不受負荷電流的影響，可以使保護對故障更加敏感。

本文簡要分析MMC換流器輸出故障電流的幅值、相位特征，詳細分析電流差動保護如何受MMC換流器控制策略影響。在此基礎上，根據不同故障類型短路電流的特征，分析并尋找區內故障時線路兩端有明顯差別的測量值，并以此構成保護判據。本文綜合利用零序電流、負序電流和正序電流突變量構成電流差動保護的輔助判據，提高電流差動保護的可靠性，并利用PSCAD/EMTDC進行仿真，以驗證方案的有效性。

1 故障特性分析

1.1 柔直側短路電流的特性

圖1 含柔直的交直流混聯電網

已知故障發生后，MMC換流器提供的正序電流如式(1)所示[25-26]。

為了防止故障時換流器內IGBT損壞，控制環節中會加入電流限幅環節，且該環節設定的電流幅值上限較小，一般在1.1~1.2倍額定值。為便于分析，視大部分交流故障發生時，換流器輸出電流達到上限，此時MMC換流器可視為一個幅值略大于正常運行時的三相對稱電流源[27]。

1.2 交流故障特性分析

在圖1中，f點發生單相接地故障時(以A相接地為例分析)，分析M、N兩側保護安裝處的電流。對于M側保護安裝處電流，正序分量由換流器控制策略決定，負序分量被抑制，零序電流與換流器控制策略無關，不受影響。對于N側保護安裝處電流，按照傳統交流故障分析即可。對于故障點電壓電流，仍然可以用復合序網圖進行分析。

對于正序網絡，由前文分析，MMC換流器可視為一個恒定電流源，其幅值相位可由式(1)決定。對于負序網絡，由于MMC側不提供負序電流，因此MMC側的負序阻抗可視為無窮大。對于零序網絡，其拓撲結構受接地點、變壓器連接方式等影響，與MMC換流器控制策略無關。大部分情況下MMC側的換流變壓器在交流電網側為星型接地連接，在換流閥側為三角形連接，因此零序電流可以流通。序網圖在文獻[24]中已給出。

對于單相(A)接地故障，正、負、零序網絡串聯等效序網絡如圖2所示。

圖2 單相接地故障等效序網絡

在故障點處，有：

進而求出交流電網側保護安裝處電流為

對于兩相短路接地故障電流求解類似單相接地，不再贅述。

對于三相短路，兩側故障電流均為三相對稱的正序電流。其中柔直側保護安裝處電流僅由換流器提供，如式(5)所示，交流側保護安裝處電流由故障點短路電流和柔直側保護安裝處電流可以得出。

2 電流差動保護適應性分析

傳統電流差動保護的動作判據為

根據前文分析，區內故障時，非故障相的電流為穿越電流，兩側保護安裝處電流等大反向，差動電流為零，制動電流為最大值，差動保護可靠不動作。區外故障同理，差動保護可靠不誤動。以下主要討論區內故障時差動保護能否可靠跳開故障相。

由于故障點為唯一的零序電源，且兩側的零序阻抗均由線路的零序阻抗和變壓器的零序阻抗構成，因此兩側零序電流相位同向。接地電阻較小時，如圖3(a)，零序電流幅值明顯大于正常運行情況下電流幅值，由式(4)，兩側保護安裝處電流均主要由零序電流構成，因此兩處測得電流相量相位相近，相角差必然在90°以內，因此差動電流必然大于制動電流，差動保護可以動作。

兩相短路接地的分析與單相接地故障類似，本文不再贅述。

圖4 相間短路故障示意圖

Fig. 4 Schematic diagram of short circuit fault phase-to-phase fault

由式(5)，兩相短路故障時，MMC側保護安裝處電流完全由MMC換流器提供，沒有負序分量和零序分量，因此故障電流三相對稱，則式(9)可表示為

因此，交流電網側故障相電流和MMC側非故障相電流的相量關系如圖5所示，假定的初相角為0，顯然和同在上半平面或下半平面。極大多數情況下，由于MMC側沒有負序電流且正序電流幅值被限制，因此交流電網側故障相的電流大于MMC側故障相電流，和間的夾角為鈍角。若故障點距離MMC側保護安裝處足夠遠，如在交流側保護安裝處出口，且外部系統為強系統，提供短路電流足夠大，則可以忽略的幅值，分析時可視和間的夾角為180°。不過大多數情況下雖然交流側短路電流明顯大于MMC側短路電流，但兩者差值通常在十倍以內，即(x為故障相)，因此為了分析準確，應當考慮對和的影響。

圖6 相間短路時兩側保護安裝處電流相量圖

由上述分析可知，由于兩相短路時，MMC側保護安裝處的電流完全為柔直換流器提供的三相對稱電流，使得兩側保護安裝處故障相電流之和在區內故障時夾角不是一定最小，導致差動電流無法可靠大于制動電流，差動保護靈敏度大大降低，甚至可能出現拒動的情況。因此，電流差動保護可靠性不足。

對于三相短路，柔直側短路電流幅值受控制策略影響略大于正常運行狀態，且電流相角和、軸電流參考值有關，與交流側故障電流幅值相角的決定因素不同，兩側同相別短路電流必然存在相角差。當兩側同相別電流相量相角差在(0°,90°)時，差動保護不會拒動，但隨著相角差增大靈敏度降低，且對于三相短路，交流側短路電流最大，與柔直側短路電流幅值相差也最大，因此差動電流和制動電流的幅值均與交流側電流的幅值相近，進一步導致差動保護靈敏度降低甚至拒動。

綜上所述，對于不對稱接地故障，過渡電阻較小時，零序電流較大，MMC換流器控制策略對故障電流相位的影響不大，兩側保護安裝處測量電流在區內故障時基本處于同方向，因此差動電流大于制動電流，電流差動保護可以動作，但靈敏度有所降低。過渡電阻較大時，零序電流減小，保護靈敏度進一步降低甚至拒動。對于相間短路故障和三相短路，由于MMC側保護安裝處電流完全由換流器提供，控制策略對其相角有極大影響，區內故障發生時故障相兩側保護安裝處電流相角差可能大于90°，電流差動保護靈敏度降低甚至拒動。

3 電流差動保護優化

對于柔直接入的交流電網，由于MMC換流器控制策略的影響，采用相電流構成的差動保護靈敏度降低甚至拒動。電流差動保護靈敏度不足甚至拒動的根本原因是MMC控制策略使得線路兩側保護安裝處電流相位關系受到影響，區內故障時兩側電流相量不是同向，導致差動電流不是最大值，制動電流不是最小值。

故障時的電流由負荷分量和故障分量組成。柔直側電流的故障分量受控制策略影響，幅值很小，相角與有功、無功參考值有關，與交流側的故障分量有明顯區別。因此，本文將利用零序電流、負序電流和正序電流突變量這3種故障分量改進差動保護，使區內故障發生時，差動保護靈敏度提升。

對于接地故障，利用零序電流提高差動保護靈敏度。由于零序網絡的拓撲結構不受MMC換流器控制策略影響，且不反映系統正常運行的狀態，因此在含柔直的交流電網中零序電流差動保護仍可以可靠識別接地故障。

對于相間短路故障，利用負序電流提高差動保護靈敏度。發生相間短路時沒有零序電流，但在柔直側，負序電流在任何情況下被抑制為零；在交流側，有較大的負序電流。因此對于發生區內故障的線路，兩側負序電流幅值有明顯的差異，可以可靠識別相間短路故障。

對于三相短路，利用正序電流突變量提高差動保護靈敏度。發生三相短路時雖然沒有負序電流和零序電流，但柔直側電流幅值受限，接近額定電流，交流側故障電流幅值極大，因此兩側正序電流突變量的幅值有最明顯的差別，可以可靠識別三相短路故障。

在傳統差動保護判據的基礎上，本文增加零序電流、負序電流和正序電流突變量3個判據對電流差動保護判據進行改進，使其在柔直接入的交流電網中能可靠識別各種類型的故障。

對于接地故障，存在零序電流，增加的動作判據如式(11)所示。

對于相間短路故障，兩側保護安裝處零序電流為零，式(11)不成立。若換流變壓器接線方式導致交流側不存在零序回路(如Y0/Y接線)，發生不對稱接地故障時，柔直側保護安裝處零序電流為零，式(11)也不成立。因此增加如式(12)所示的利用兩側負序電流幅值之差的動作判據。

對于三相短路故障，兩側保護安裝處零序電流與負序電流為零，式(11)和式(12)不成立，增加利用兩側保護安裝處正序電流突變量幅值之差的動作判據，如式(14)所示。

圖7為優化后的電流差動保護動作流程圖。

圖7 保護動作流程圖

需要指出的是，判據改進后仍能進行故障選相。若是單相接地故障，兩個健全相電流為穿越性電流，相電流計算的差動電流為零，唯一故障相的差動電流明顯大于其他兩項，可跳故障相進行重合閘。若相電流計算的差動電流僅有一相為零或均有明顯數值，則為相間短路，此時直接跳三相即可，不需要選相。

4 仿真驗證

在PSCAD/EMTDC仿真軟件中搭建了雙端MMC-HVDC仿真系統，仿真系統結構圖如圖8所示。其中交流系統電壓為230 kV，系統頻率為50 Hz，聯接變壓器容量為400 MVA，變比為230 kV/210 kV，接線方式為Y/Δ接線，漏抗為0.1 p.u.，交流線路長度(K、J之間的距離)為100 km，f1點為被保護線路中點，f2、f3點分別為位于保護R1、R2正方向出口處，f4、f5點為區外故障點，位于保護R1、R2反方向出口處。

圖8 仿真系統示意圖

4.1 交流故障特征分析

圖9為f1點發生各類型故障時，兩側短路電流中正負零序分量的含量。顯然，柔直側與交流側故障電流中序分量含量不同：對于正序分量，柔直側幅值受限，因此明顯小于交流側；對于負序分量，柔直側幾乎為零，交流側在不對稱故障時負序分量較大；對于零序分量，不受控制策略影響。因此區內故障時兩側故障相相角差增大，差動保護靈敏度降低甚至可能拒動，符合前文分析。

圖9 不對稱故障時兩側電流序分量

4.2 改進后的電流差動保護適應性分析

為驗證改進后的差動保護判據可靠性，在f1—f5處分別設置不同類型故障，經仿真驗證，區內故障(f1、f2、f3點)時保護可靠動作，區外故障(f4、f5點)時保護可靠不動作。限于篇幅，僅詳細說明f1點得到的結果。

4.2.1接地故障

以A相接地為例，說明改進后的保護判據在發生接地故障時靈敏度提升，兩相短路接地仿真結果類似，不再贅述。圖10為f1點于1.5 s發生A相接地時，零序電流差動保護和A相電流差動保護的仿真結果。

圖10 接地故障時保護性能

4.2.2相間短路

以BC相短路為例，說明改進后的保護判據在發生相間短路時靈敏度提升。圖11為f1點于1.5 s發生BC相短路時，相電流差動保護和基于負序電流的差動保護的仿真結果。

圖11 相間短路時保護性能

4.2.3三相短路

圖12為f1點于1.5 s發生三相短路時，相電流差動保護和基于正序電流突變量的差動保護的仿真結果。

圖12 三相短路時保護性能

由圖12(a)、圖12(b)和圖12(c)可知，三相短路時，以A、B、C相電流計算出的動作量和制動量幅值相近，兩者比值接近于1。當制動系數取值較小時，保護可正常動作，但靈敏度較低。

5 結論

本文簡要推導了MMC換流器輸出故障電流幅值、相位的表達式，分析了含柔直的交流電網故障序網圖，在此基礎上分析了傳統電流差動保護的適應性，提出改進策略，并通過仿真驗證。結論如下：

1) MMC換流器輸出的故障電流與控制策略有關，正序分量幅值受限、負序分量被抑制為零，導致短路點兩側故障電流所含序分量不同，因此區內故障時兩側故障相電流夾角增大。

2) 區內故障時，差動保護的動作量減小，制動量增大，導致傳統電流差動保護靈敏度在柔直接入的交流系統中靈敏度降低甚至拒動。

3) 本文利用零序電流、負序電流和正序電流突變量作為傳統電流差動保護的補充判據，提高區內故障時保護靈敏度。優化后的差動保護在柔直接入的交流電網中具有較好的適應性，通過仿真分析也驗證了新判據能可靠識別所有類型的故障，是有實際意義的。

[1] RICARDO V, HECTOR B, ALEJANDRO R, et al. Analysis of the performance of MMC under fault conditions in HVDC-based offshore wind farms[J]. IEEE Transactions on Power Delivery, 2016, 31(2): 839-847.

[2] 田景奇, 方旭, 王天堃, 等. 風-光-蓄電-燃煤互補系統的參數匹配優化[J]. 熱力發電, 2022, 51(5): 27-33.

TIAN Jingqi, FANG Xu, WANG Tiankun, et al. Optimization on parameter matching for complementary system combing wind-photovoltaic-electric storage with coal-fired unit[J]. Thermal Power Generation, 2022, 51(5): 27-33.

[3] 張博智, 盧妍, 譚晨, 等. 光伏光熱互補發電系統多目標容量優化研究[J]. 熱力發電, 2022, 51(5): 9-17.

ZHANG Bozhi, LU Yan, TAN Chen, et al. Research on multi-objective capacity optimization of PV-CSP hybrid system[J]. Thermal Power Generation, 2022, 51(5): 9-17.

[4] 王梓珺, 王承民, 謝寧. 基于柔性計算的高比例新能源環境下的電力電量平衡[J]. 智慧電力, 2021, 49(8): 15-22.

WANG Zijun, WANG Chengmin, XIE Ning. Electric power and energy balance based on flexible computing in energy internet with high proportion of new energy[J]. Smart Power, 2021, 49(8): 15-22.

[5] 朱介北, 周小堯, 曾平良, 等. 英國交直流輸電網規劃方法及對中國電網規劃的啟示[J]. 全球能源互聯網, 2020, 3(1): 59-69.

ZHU Jiebei, ZHOU Xiaoyao, ZENG Pingliang, et al. Great Britain's transmission grid planning method and its enlightenment to China's grid planning[J]. Journal of Global Energy Interconnection, 2020, 3(1): 59-69.

[6] 郭春義, 彭意, 徐李清, 等. 考慮延時影響的MMC- HVDC系統高頻振蕩機理分析[J]. 電力系統自動化, 2020, 44(22): 119-126.

GUO Chunyi, PENG Yi, XU Liqing, et al. Analysis on high-frequency oscillation mechanism for MMC-HVDC system considering influence of time delay[J]. Automation of Electric Power Systems, 2020, 44(22): 119-126.

[7] 張烜一, 江修波, 鄭文迪, 等. 基于電阻耗能支路的MMC-HVDC線路故障清除與重啟恢復策略[J]. 電力科學與技術學報, 2021, 36(6): 67-76.

ZHANG Xuanyi, JIANG Xiubo, ZHENG Wendi, et al. MMC-HVDC line fault clearing and restart recovery strategy based on the resistance energy-consuming branch[J]. Journal of Electric Power Science and Technology, 2021, 36(6): 67-76.

[8] 肖超, 韓偉, 李瓊林, 等. 柔性直流輸電系統交流側線路繼電保護適應性研究[J]. 智慧電力, 2020, 48(4): 1-8.

XIAO Chao, HAN Wei, LI Qionglin, et al. Adaptability of MMC-HVDC system on relay protection of AC transmission lines[J]. Smart Power, 2020, 48(4): 1-8.

[9] NADOUR M, ESSADKI A, NASSER T. Improving low-voltage ride-through capability of a multimegawatt DFIG based wind turbine under grid faults[J]. Protection and Control of Modern Power Systems, 2020, 5(1): 1-13.

[10] SIRISHA A N R L, PRADHAN A K. Cosine similarity based directional comparison scheme for subcycle transmission line protection[J]. IEEE Transactions on Power Delivery, 2020, 35(5): 2159-2167.

[11]徐政, 張哲任, 劉高任. 柔性直流輸電網的電壓控制原理研究[J]. 電力工程技術, 2017, 36(1): 54-59.

XU Zheng, ZHANG Zheren, LIU Gaoren. Research on voltage control principle of flexible DC transmission power grid[J]. Electric Power Engineering Technology, 2017, 36(1): 54-59.

[12]卜廣全, 李英彪, 王姍姍, 等. MMC對交流系統三相短路故障短路電流影響的機理研究[J]. 中國電機工程學報, 2017, 37(21): 6303-6312.

BU Guangquan, LI Yingbiao, WANG Shanshan, et al. Analysis of the short-circuit current of MMC-HVDC[J]. Proceedings of the CSEE, 2017, 37(21): 6303-6312.

[13]易楊, 沈豫, 林章歲. 柔性直流輸電系統貢獻交流短路電流的特性分析及計算方法[J]. 高電壓技術, 2018, 44(7): 2150-2158.

YI Yang, SHEN Yu, LIN Zhangsui. Characteristics and analysis methods of ac short-circuit current contributed by VSC-HVDC[J]. High Voltage Engineering, 2018, 44(7): 2150-2158.

[14]肖超, 韓偉, 李瓊林, 等. 柔性直流輸電系統交流側線路繼電保護適應性研究[J]. 智慧電力, 2020, 48(4): 1-8.

XIAO Chao, HAN Wei, LI Qionglin, et al. Adaptability of MMC-HVDC system on relay protection of ac transmission lines[J]. Smart Power, 2020, 48(4): 1-8.

[15]鄭黎明, 賈科, 畢天姝, 等. 海上風電接入柔直系統交流側故障特征及對保護的影響分析[J]. 電力系統保護與控制, 2021, 49(20): 20-32.

ZHENG Liming, JIA Ke, BI Tianshu, et al. AC-side fault analysis of a VSC-HVDC transmission system connected to offshore wind farms and the impact on protection[J]. Power System Protection and Control, 2021, 49(20): 20-32.

[16]李彥賓, 賈科, 畢天姝, 等. 電流差動保護在逆變型新能源場站送出線路中的適應性分析[J]. 電力系統自動化, 2017, 41(12): 100-105.

LI Yanbin, JIA Ke, BI Tianshu, et al. Adaptability analysis of current differential protection of outgoing transmission line emanating from inverter-interfaced renewable energy power plants[J]. Automation of Electric Power Systems, 2017, 41(12): 100-105.

[17]李勇, 時伯年, 謝俊, 等. 渝鄂柔性直流工程接入對500 kV交流線路差動保護影響分析[J]. 電力系統保護與控制, 2019, 47(20): 149-155.

LI Yong, SHI Bonian, XIE Jun, et al. Influence study of Chongqing-Hubei VSC-HVDC interconnection on 500 kV AC line differential protection[J]. Power System Protection and Control, 2019, 47(20): 149-155.

[18]梁營玉, 李武林, 盧正杰, 等. MMC-HVDC對交流線路電流相位差動保護的影響分析[J]. 電力自動化設備, 2019, 39(9): 95-101.

LIANG Yingyu, LI Wulin, LU Zhengjie, et al. Influence of MMC-HVDC on current phase differential protection of AC line[J]. Electric Power Automation Equipment, 2019, 39(9): 95-101.

[19]劉一民, 王書揚, 李彬, 等. 逆變型新能源場站柔性直流送出系統交流線路差動保護靈敏性優化方案[J]. 電力建設, 2022, 43(1): 63-69.

LIU Yimin, WANG Shuyang, LI Bin, et al. Sensitivity optimization scheme of ac line differential protection in MMC-HVDC system of inverter new energy station[J]. Electric Power Construction, 2022, 43(1): 63-69.

[20]張太升, 韓偉, 楊霖, 等. 基于波形相關分析的雙饋風電場送出線時域距離保護[J]. 電力系統保護與控制, 2021, 49(14): 82-88.

ZHANG Taisheng, HAN Wei, YANG Lin, et al. Time- domain distance protection for transmission lines of doubly-fed wind farms based on waveform correlation analysis[J]. Power System Protection and Control, 2021, 49(14): 82-88.

[21]賈科, 鄭黎明, 畢天姝, 等. 基于余弦相似度的風電場站送出線路縱聯保護[J]. 中國電機工程學報, 2019, 39(21): 6263-6275.

JIA Ke, ZHENG Liming, BI Tianshu, et al. Pilot protection based on cosine similarity for transmission line connected to wind farms[J]. Proceedings of the CSEE, 2019, 39(21): 6263-6275.

[22]胡勇, 鄭黎明, 賈科, 等. 基于Tanimoto相似度的光伏場站送出線路縱聯保護[J]. 電力系統保護與控制, 2021, 49(3): 74-79.

HU Yong, ZHENG Liming, JIA Ke, et al. Pilot protection based on Tanimoto similarity for a photovoltaic station transmission line[J]. Power System Protection and Control, 2021, 49(3): 74-79.

[23]畢天姝, 李彥賓, 賈科, 等. 基于暫態電流波形相關性的新能源場站送出線路縱聯保護[J]. 中國電機工程學報, 2018, 38(7): 2012-2019.

BI Tianshu, LI Yanbin, JIA Ke, et al. Transient current waveform similarity based pilot protection for transmission lines connected to renewable energy power plants[J]. Proceedings of the CSEE, 2018, 38(7): 2012-2019.

[24]黃家凱. 含逆變站交流系統故障特征與差動保護新原理研究[D]. 濟南: 山東大學, 2021.

HUANG Jiakai. Studies on fault characteristic and novel differential protection for AC system connected to inverter station[D]. Jinan: Shandong University, 2021.

[25]劉昕宇, 王國騰, 徐政, 等. 含MMC的交直流輸電系統短路電流統一求解方法[J]. 電力自動化設備, 2022, 42(4): 184-189.

LIU Xinyu, WANG Guoteng, XU Zheng, et al. Unified solution method of short circuit current for AC/DC transmission system with MMC[J]. Electric Power Automation Equipment, 2022, 42(4): 184-189.

[26]徐政, 肖晁慶, 張哲任. 柔性直流輸電系統[M]. 2版. 北京: 機械工業出版社, 2017.

[27]李斌. 柔性直流系統故障分析與保護[M]. 北京: 科學出版社, 2019.

Adaptability analysis of current differential protection in an AC power grid with an MMC-HVDC and improvement measures

LAI Yiyang, WANG Zengping, WANG Tong

(State Key Laboratory of Alternate Electrical Power System with Renewable Energy Sources (North China Electric Power University), Beijing 102206, China)

To adapt to the large-scale access of new energy to the power grid, an MMC-HVDC is increasingly widely used, and China's power grid has initially become an AC-DC hybrid power grid. When the AC system fails, the characteristics of short-circuit current provided by an MMC system change significantly compared with a traditional synchronous generator. First, this paper analyzes the change of fault characteristics. Because of the limited amplitude of fault current and infinite negative sequence impedance on the MMC side, the amplitude and phase of fault current are different from those on the AC side. The paper finds that when there is an increase of the current angle on both sides in the case of a fault in the transmission line, the differential current will be reduced and the braking current will be increased. Also the sensitivity of protection will be reduced or even the protection will not be activiated. This paper proposes an improved scheme for the differential protection criterion: the zero-sequence current, the negative-sequence current and the positive-sequence current mutation are respectively used to form auxiliary criteria to improve the sensitivity of the current differential protection during ground faults and phase-to-phase short-circuits. This improves the reliability of the differential protection in the AC power grid with an MMC system. Finally, the feasibility of the proposed scheme is verified by simulation.

MMC-HVDC; differential protection; AC-DC hybrid system; AC fault

10.19783/j.cnki.pspc.220634

國家自然科學基金重點項目資助(51637005)；國家電網公司總部科技項目資助“新能源電力系統新型后備保護系統研究與應用(5100-202199529A-0-5-ZN)”

This work is supported by the Key Project of National Natural Science Foundation of China (No. 51637005).

2022-05-01；

2022-08-30

賴逸洋(1998—)，男，通信作者，碩士研究生，研究方向為電力系統繼電保護與柔性直流輸電；E-mail: huadianqiang_lyy@163.com

王增平(1964—)，男，教授，博士生導師，研究方向為電力系統繼電保護、電力系統安全防御；E-mail: wangzp1103@sina.com

王 彤(1985—)，女，副教授，博士生導師，研究方向為新能源電力系統安全防御、系統安全保護。E-mail: hdwangtong@126.com

(編輯 周金梅)