华北电力大学郑涛、章若竹 等：基于故障主动控制的海上风电交流汇集线路时域距离保护

阅读提示：本文约 2800 字

风电经柔直送出系统中的海上交流汇集线路故障特征微弱，交流汇集线路电缆分布电容的影响使基于线路 R-L 模型的时域距离保护性能降低。鉴于此，该文提出一种故障主动控制下计及分布电容影响的时域距离保护方案。针对故障特征微弱的风电柔直送出系统中的交流汇集线路，利用故障后海上换流站MMC换流器主动控制能力调制产生特定频率（400Hz）负序电压，基于线路π型模型构建时域微分方程并求解故障距离，解决了现有海上风电交流汇集线路中距离保护无法适应的关键问题。

研究背景

海上风机通过电缆线路与海上模块化多电平换流器（MMC）相连接，构成海上风电交流汇集系统。由于海上风电交流汇集线路双端均为电力电子设备，基于双端通信的差动保护存在一定风险；其短路电流幅值受限、相位受控且具有大量谐波分量，基于工频量的距离保护可靠性较低。

论文所解决的问题及意义

1、现有时域距离保护方案均以简化的 R-L 模型为线路等效模型，并未考虑线路分布电容的影响。而海上风电交流汇集线路采用电缆线路，其分布电容较大而无法忽略。因此，当时域距离保护应用于海上风电交流汇集线路时，该文在等效线路模型中考虑了分布电容的影响，得以显著降低保护算法误差。

2、现有时域距离保护方案在考虑接地故障时，均未考虑双端故障电流相位差异导致单端距离保护性能下降的问题；而在考虑相间故障时，现有时域距离保护方案大多直接忽略过渡电阻的影响。

上述保护方案均以保护安装处的电流直接等效故障电流，当故障线路两侧电流存在相位差时，基于单端量的时域距离保护将因故障点电流与单端量测电流相位不一致而受到严重影响，导致保护性能下降。因此，该文设计了一种基于负序特定频率电压的海上换流器控制策略，避免了风机馈入故障电流的影响。

论文方法及创新点

针对海上风电交流汇集线路中故障特征微弱、双端故障电流的相位差异使单端距离保护可靠性下降及电缆分布电容不可忽略而使基于线路 R-L 模型的时域距离保护性能降低的问题，该文提出一种故障主动控制下计及分布电容影响的时域距离保护方案。

1、以现有海上换流器故障控制策略为基础，提出相应的降压限流控制以防止海上换流器闭锁，该控制策略根据电流偏差信号产生电压偏差信号，进而实现降压限流。

图1 海上换流器降压限流控制策略

2、基于海上 MMC换流器的故障主动控制能力，提出一种基于负序特征信号注入的海上换流器故障控制策略，在故障发生后海上换流器通过锁相环调制产生特定频率的负序检测电压以放大故障特征，同时负序特定频率电流仅由海上换流器流入故障点，避免了双端故障电流的相位差异对单端量保护的影响。

图2 海上换流器负序特定频率电压控制策略

其中，负序特征信号的频率选择需兼顾滤波器的滤波性能、时域距离保护的算法计算误差及海上换流器短路电流谐波分量的影响，最终选择负序特征信号的频率为400Hz。

图3

3、基于线路 π 型等效电路等效故障回路，列写以故障距离及过渡电阻为未知量的故障微分方程，进而利用最小二乘优化算法，通过多组量测数据拟合得到故障距离。

图4 单相接地故障下三相等效回路

4、基于 PSCAD/EMTDC 仿真平台验证了所提保护方案在各类故障下的可行性及有效性。

图5 不同金属性故障下计算距离

结论

该文针对海上风电交流汇集线路中差动保护及基于工频量的距离保护可靠性较低的问题，提出了一种故障主动控制下计及分布电容影响的时域距离保护方案，所得主要结论如下：

1）针对海上 MMC 换流器在严重故障下可能误闭锁的问题，该文设计了一种海上换流器降压限流的控制策略。通过故障电流幅值与其规定最大幅值的差值产生电压偏差信号，并将其引入海上换流器交流电压控制环节，实现降压限流。

2）针对双端故障电流的相位差异导致单端距离保护性能下降的问题，该文基于海上 MMC 换流器的故障主动控制能力，设计了一种负序特定频率电压的控制策略。海上换流器通过锁相环调制产生负序特定频率分量，该分量仅存在于换流器与故障点之间，避免了风机馈入故障电流的影响。

3）针对海底电缆线路分布电容较大导致基于线路 R-L 模型的时域距离保护性能降低的问题，该文基于特定频率电气量，以线路 π 型等值模型等效故障回路，研究电缆分布电容对保护的影响，通过推导不同故障下计及分布电容影响的故障微分方程，结合最小二乘优化算法，实现故障距离的计算。

团队介绍

电力系统保护与控制研究所是新能源电力系统国家重点实验室所属研究团队之一，主要开展电力系统保护与控制相关研究工作。郑涛教授带领的研究生团队曾获中国电力科学技术进步一等奖、二等奖、三等奖各1项；主持国家自然科学基金项目2项，作为课题负责人承担国家重点研发计划专项课题1项；发表SCI/EI检索学术论文180余篇；授权中国发明专利38项；出版学术专著2部。

郑涛

博士，华北电力大学电气与电子工程学院教授，博导，担任中国能源研究会新能源电力系统保护和控制技术专业委员会第一届委员会委员；宁夏新型电力系统标准化技术委员会委员；IEEE PES中国区电力系统主设备保护分委会副主席；IEEE PES中国区储能技术委员会储能并网与运行技术分委会委员；《电工技术》、《宁夏电力》等期刊编委。主要从事新能源电力系统故障机理和保护新算法研究、交直流输电故障耦合机理研究等。

E-mail：zhengtao_sf@126.com

章若竹

博士研究生，研究方向为新能源电力系统保护与控制。E-mail：zrz_caroline@126.com

本工作成果发表在2025年第1期《电工技术学报》，论文标题为“基于故障主动控制的海上风电交流汇集线路时域距离保护“。本课题为国家自然科学基金联合基金资助项目。

引用本文

郑涛, 章若竹, 吕文轩, 刘森. 基于故障主动控制的海上风电交流汇集线路时域距离保护[J]. 电工技术学报, 2025, 40(1): 122-138. Zheng Tao, Zhang Ruozhu, Lü Wenxuan, Liu Sen. Time-Domain Distance Protection of Offshore AC Transmission Lines Based on Fault Active Control Considering Distributed Capacitance's Impact. Transactions of China Electrotechnical Society, 2025, 40(1): 122-138.

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