基于故障负序分量的低频变压器快速差动保护_顾乔根.pdf

Vol.47 No.7 Apr.10,2023第 47卷 第 7期 2023年 4月 10日基于故障负序分量的低频变压器快速差动保护顾乔根1，2，张晓宇1，2，吕航1，2，孙仲民1，2，吴小丹1，2（1.南京南瑞继保电气有限公司，江苏省南京市 211102；2.南瑞集团有限公司（国网电力科学研究院有限公司），江苏省南京市 211106）摘要：低频变压器是低频输电系统的核心器件之一。实验表明低频系统的故障暂态过程多变，低频变压器的短路电气量特征与常规变压器有较大差异。由于励磁涌流判据开放速度缓慢，低频变压器发生区内故障时常规纵差保护的速动性受到影响。文中提出了基于故障负序分量方向原理的低频变压器快速差动保护。首先，分析了模块化多电平矩阵变换器（M3C）低频输电系统的变压器区内故障特性以及 M3C换频器响应情况；其次，分析了负序计算的数值方法对负序差动影响，并通过分析低频系统故障初期的窗口时间内的负序特征，提出了故障负序分量方向的判别方法；进一步，讨论了该方法在变压器非正常工况下对励磁涌流如何区分判别。最后，以实际工程为例建立仿真模型，针对典型区内故障对所提方法进行了仿真验证。关键词：低频输电系统；差动保护；模块化多电平矩阵变换器；低频变压器；负序分量；励磁涌流0 引言柔性低频输电系统是频率低于工频的新型交流输电技术1-5，既可降低线路阻抗对功率传输的影响，又可保留交流输电的电磁感应变压、电流过零开断特性，主要针对远距离水电和风电的接入，结合了传统高压交流输电技术和柔性直流输电技术的优势，在远距离海上风电送出、城市柔性组网等多个方面具有显著的应用优势6-7，代表着未来电力电子技术应用发展的重要方向。中国浙江台州低频输电示范工程是基于全桥功率模组结构的模块化多电平矩阵变换器（modular multilevel matrix converter，M3C）的柔性低频输电系统，工程包含的主要关键设备有：变频换流阀及其控制保护系统、低频变压器、低频母线及低频线路等。该工程的实践也将为中国有效解决大容量、中远海上风电场并网送出提供新的模式，对未来中国海上风电集中连片规模化和远海大容量风电开发建设具有引领和示范作用。低频变压器是柔性低频输电系统的核心一次设备之一，低频变压器的安全稳定运行是确保柔性低频输电系统组网、稳定运行的关键8-9。因此，开展低频变压器保护新原理研究对于柔性低频输电系统实际工程应用具有重要意义。目前，已研制出了适应 16.7 Hz 输 电 频 率 的 变 压 器，最 高 电 压 等 级 为220 kV，最大容量 180 MV A。已有研究主要集中于低频变压器空载损耗、体积的变化规律，但对于低频对铁磁材料性能的影响未给出明确结论，低频输电系统下的变压器继电保护问题也需要研究。在对中国台州低频输电示范工程进行故障仿真时发现，故障情况下低频系统电气量呈现非线性特征，故障过程电流波形多变，常规纵差保护应用于低频系统时存在可靠性不足的问题。虽然目前变压器差动保护设置有不经谐波闭锁的差动速断保护，典型静模测试也能够达到很快的动作速度，但是其需要躲过变压器空充励磁涌流，一般设置很高的定值，因而常规电网中差动速断保护也只能反映严重的区内故障。不利的是，受低频系统总输送容量、柔性输电设备普遍设置的限流策略等因素影响，导致系统故障时的短路电流显著小于常规电力系统故障，变压器区内故障时短路电流难以达到差动速断定值。变化量差动保护不受负荷电流的制动性影响，在反映故障电流较小的情形下具有良好的灵敏性，但上述限流策略也导致故障过程中（特别是不对称故障）的故障电流产生受控性变化，使用傅里叶算法计算得到的结果含大量谐波，励磁涌流判据开放速度缓慢，进而导致含变化量差动在内的纵差保护动作速DOI：10.7500/AEPS20220629001收稿日期：2022-06-29；修回日期：2022-12-24。上网日期：2023-03-08。国家重点研发计划资助项目（2021YFB2401100）；已申请国家发明专利（申请号：202210481612.1，202210868841.9）。184顾乔根，等 基于故障负序分量的低频变压器快速差动保护http：/www.aeps-度缓慢，甚至出现差动保护拒动的情形。本文提出一种基于负序方向指向原理的变压器快速差动保护方法。该方法以暂态负序分量为计算量，以暂态负序分量的指向性作为变压器区内外故障的辨识标志，当变压器各侧暂态负序分量均指向变压器区内时，允许主保护快速动作，以增强主保护反映低频变压器区内故障的可靠性。最后，本文结合实际工程构建实时数字仿真（RTDS）模型进行了仿真实验，验证了所提保护技术性能。1 低频输电系统的故障电流特性1.1M3C电路结构基于 M3C 的低频海上风电送出系统拓扑方案如图 1所示。M3C 由 9 个桥臂构成，各桥臂由 N 个 H 全桥功率模组（SM）、桥臂电感 L及等效电阻 R 以级联方式组成。为便于分析，可将 M3C划分为子变流器 u、v、w，其中子变流器 u 由桥臂 au、bu 及 cu 组成，对子变流器 v、w 的定义方式类似。也可将 M3C 划分为子变流器 a、b、c，其中子变流器 a由桥臂 au、av及 aw 组成，对子变流器 b、c 的定义方式类似。桥臂 xy（x=a，b，c；y=u，v，w）功率变换回路输出交流电压及桥臂电流分别表示为 uxy、ixy。对 M3C 子变流器及 i1y、i1y2、u1y、udcxy等变量含义详细说明见附录 A图 A1。1.2低频输电系统的故障特征在低频输电系统处于暂态（特别是不对称短路故障）期间，低频侧输入能量和工频侧输出能量在短时间内（控制器电容电压带宽时间，约 50100 ms）不平衡，直流侧电容电压将发生显著的扰动现象，表现在桥臂直流侧电容电压的波动上升或者下降。直流侧电容电压的波动进一步引起调制逆变输出电压中除了包含正常的 20 Hz 低频外，还包含有其余非 20 Hz 频率的特征分量，从而进一步引起M3C 低 频 侧 输 入 电 流 含 有 相 应 的 谐 波 电 流 分量10-11。同时，M3C 低频电压前馈控制的引入引起了闭环效应，使得在故障后的短时间内激发和加剧了相应的非特征分量谐波电压及电流。低频系统的保护配置及实验故障点设置见附录A 图 A2。对低频主变压器（简称主变）网侧 F1处发生永久性 A 相金属性接地故障进行仿真，结果如图 2、图 3所示。计算表明，该故障情况下，低频主变差动保护面临差流较小、二次谐波含量高的问题。故障后一周期内差流电流波形畸变明显，差流二次谐波含量显著高于励磁涌流闭锁定值 15%，故障一周期后仍有约 40%，励磁涌流判据不能开放；故障后约 100 ms，波形进入稳态，此时差流跌落至0.7 p.u.（以变压器二次额定电流为基准），差流二次谐波含量跌落至 15%以下。由于励磁涌流闭锁判据在区内故障后不能迅速开放，导致差动保护持续被闭锁，动作速度相对缓慢，不满足规范要求（工频系统下一般要求纵差保护反映金属性短路故障的动作速度不大于 30 ms）。若考虑低频主变区内发生多相发展性故障，例如，A 相接地故障持续 30 ms 后又发生 B 相接地故SMSMSMSMSMSMv子变流器w子变流器海缆u子变流器海上风电场xyixy陆上工频电源工频变压器低频变压器风电升压变uxuxyudcxyixiaui1ui1u2u1uibuicuLbLbLbC1fCdc+-+-i1vi1v2u1vC1fi1wi1w2u1wC1f陆上电力系统与海上风电分界线SM图 1基于 M3C的海上风电低频输电系统Fig.1Low-frequency transmission system with M3C-based offshore wind power70076082088078580081583075077079081083085000.10.20.30.4时间/sA相;B相;C相子变流器u模块电压/V子变流器v模块电压/V子变流器w模块电压/V图 2低频主变网侧单相接地故障桥臂电压Fig.2Bridge arm voltage when single-phase grounding fault occurs on grid side of low-frequency transformer1852023，47（7）研制与开发 障，故障电流在短时间内发生多次变化，该过程中采用傅里叶算法将计算出高谐波含量；变压器差动保护的转角计算过程需要消除角差及零序分量，造成各相电气特征耦合，进一步加剧差流波形的畸变程度。上述因素都将导致励磁涌流闭锁判据开放速度更为缓慢，甚至不能开放，差动保护有拒动风险。2 不对称故障的故障负序分量2.1不对称故障的负序分解图 1 所示的海上风电低频输电系统中，低频变压器三角形（）侧为 M3C，星形（Y）侧为风力发电机输电海缆。分析低频变压器故障特征时，该系统可以视作双端有源系统。分析图 4（a）所示的三相系统（以 A 相为例），F点为系统短路点，短路过渡阻抗为Zf，差回路流入电流为I?s，流出电流为I?r，故障电流I?f即为差流12-13。图4（b）为故障前的负荷态，在电动势E?s和E?r作用下，产生负荷电流I?p和故障点的对地电位为V?f。当故障发生时，此时除故障点以外的系统其余部分的参数（指阻抗）仍然是对称的。以对称分量法对原系统进行分解，可以得到正序、负序、零序等效电路。考虑故障前 M3C 电源E?s和风机电源E?r不产生负序电势，则负序网络中仅故障点负序电势起作用，得到如图 4（c）所示的负序等效电路。计算图 4（c）所示的等效电路负序电流，可得：|I?s2|=|V?f2Z+ZfZrZs+Zr|I?r2|=|V?f2Z+ZfZsZs+Zr|（1）式中：I?s2为 M3C 侧电流的负序分量；I?r2为风机侧电流的负序分量；V?f2为故障点负序电压；Zs、Zr分别为两侧的等效阻抗；Z为系统等值阻抗，有Z=Zs2Zr2Zs2+Zr2（2）式中：Zs2、Zr2分别为系统侧和风机侧负序阻抗。变压器、线路一般均以感性阻抗为主，阻抗灵敏角接近，因此理想情况下，以两侧电源为参考，式（1）中负序电流I?s2、I?r2流向均为注入差回路，且电流相位接近。该负序电流同相位注入特征，可以作为一种显式的区内故障特征。2.2低频系统的限流限压策略及负序抑制控制换频器设置有限流、限压两种策略，防止故障态阀组过流、过压。同时，PQ 站 M3C以及风机变流器还设置有负序抑制控制，如图 4（d）所示。柔性输电系统中，系统负序等效阻抗呈受控特征。设限流策略的目标阈值为 1.2 p.u.，若考虑不对称故障中三序故障电流等比例分配，则负序分量在限压策略完全响应前，仍有约 1 p.u.的有效值（按 3I2计算），因此，在故障后 0.5个低频周期（限压策略响应前）内，I?s2和I?r2仍具备分析价值。此外，由于低频侧不对称故障导致的非故障相过电压现象，低频侧限压策略将使 M3C 通过 V/f控制策略进一步降低阀侧母线电压控制参考值，这也将导致图 3中阀侧故障电流进一步按包络线振荡式下降。无论是用于多端柔性低频输电系统组网中的PQ 站 M3C，还是用于低频海上风电送出系统中的直驱式风电变流器，为保证并网电能质量，均采用负序电流抑制控制，即将输入负序电流指令始终维持为 0。为兼顾系统快速性及稳定性，电力电子设备050100150200250300350故障相差流二次谐波含量相电流/A相电流/A-1.0-1.501.01.50.5-0.50-55故障相差流/p.u.-6-226二次谐波含量/%50100时间/ms网侧A相;网侧B相;网侧C相阀侧A相;阀侧B相;阀侧C相图 3低频主变网侧单相接地故障的差动计算结果Fig.3Differential calculation results when single-phase grounding fault occurs on grid side of low-frequency transformerFI