一种用于改进混合构网型储能–逆变器接口分布式发电电网中叠加距离保护的故障响应控制策略

《Electric Power Systems Research》：A fault-responsive control strategy for improving superimposed distance protection in mixed GFES–IIDG grids

　　

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  阻抗平面分析揭示了IIDG-GFES系统中多种逆变器控制策略如何降低叠加式距离保护的可靠性。
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  提出了一种故障响应式序分量电压控制（FRSVC）策略，可稳定逆变器型资源（IBR）的工频故障分量阻抗，在暂态过程中模拟同步发电机的故障行为。
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  FRSVC可在无需硬件改造的情况下恢复混合IIDG-GFES电网中工频叠加式距离保护的可靠性。

引言

随着电力系统向以可再生能源为主导的运行模式转型，逆变器型资源（IBR）——包括风电、光伏发电和储能系统——正日益广泛地接入现代电网[[1], [2], [3], [4]]。大规模可再生能源电站通常采用混合配置，其中构网型储能系统（GFES）与跟网型逆变器接口分布式发电（IIDG）协同运行，而非单纯采用跟网型运行方式[5]。在此类系统中，GFES建立本地电压和频率，并在弱电网条件下提供电压支撑和惯量，而IIDG则依赖外部电网信号。这种互补的运行机制提高了扰动期间的动态稳定性[5]。然而，与传统的同步发电机（SG）主导系统相比，逆变器主导的电网表现出惯性降低和故障响应特性根本性改变的特征。

在低电压穿越（LVRT）期间，IIDG通常采用有功-无功解耦控制策略，将故障电流幅值限制在约1.2 p.u.[6]。在此控制下，变换器表现为受控电流源，注入正序电流以提供无功支撑，同时抑制负序分量以减轻电压不平衡[7]。相比之下，GFES在正常运行条件下通过下垂控制或虚拟同步发电机（VSG）控制维持电压源特性，并在外部故障期间采用限流策略[8]。常用的主要方法有两种：模式切换限流和基于虚拟阻抗的限流。尽管这些策略增强了故障穿越能力，但它们不可避免地改变了故障期间的等效序阻抗，引入了相位偏差、非线性和时变特性[[8], [9], [10], [11]]。

不同IBR的异质故障响应导致正序工频故障分量（PFFC）特性存在显著不确定性。然而，工频叠加式距离保护（PFSDP）的可靠运行要求正序阻抗稳定或正序与负序阻抗近似对称[12]。现有研究表明，对于IIDG，故障限流和时变电流相位角可导致测量阻抗呈现电阻性或容性，从而降低PFSDP的灵敏度和选择性[13,14]。对于GFES，限流策略改变了故障期间的等效戴维南阻抗，导致非线性且时变的PFFC阻抗特性，进一步削弱了PFSDP的确定性和适应性[8,15]。

因此，在GFES和IIDG共存并采用多样化控制策略的可再生能源主导系统中，传统PFSDP面临严峻的可靠性挑战。尽管已提出若干增强型保护原理，如基于高频的方案[16]和基于相位角一致性的判据[17]，但由于其对故障条件的敏感性或对逆变器控制特性考虑不足，其适用性仍然有限。最近，控制-保护协同（CPC）被引入，通过重塑逆变器阻抗特性来调节变换器故障行为并改善距离保护性能[18,19]。然而，大多数现有的CPC策略主要面向距离保护且侧重于IIDG主导系统，而专门针对混合GFES-IIDG配置下PFSDP的CPC方法仍 largely 未被探索。

为应对上述挑战，本文建立了可再生能源接入系统的故障分量序网模型，并刻画了在典型LVRT策略下IIDG和GFES的PFFC阻抗特性。利用阻抗平面分析，揭示了逆变器控制策略驱动特征阻抗演化并降低PFSDP性能的机理。基于这些发现，提出了一种故障响应式序分量电压控制（FRSVC）策略。通过在故障暂态期间暂时旁路外环控制、禁用负序电流抑制并直接调节内环电流参考值，FRSVC使变换器能够模拟同步发电机类似的PFFC阻抗特性。这恢复了故障序网行为使其接近传统SG系统，从而显著增强了高逆变器渗透率下PFSDP的灵敏度和可靠性。

章节摘要

混合GFES-IIDG电网中PFSDP的适应性分析

本节首先介绍混合GFES-IIDG系统所采用的故障控制策略，然后分析PFSDP在此类系统中的适用性，并指出当前存在的问题。

提出的解决方案：故障响应式叠加电压补偿策略

针对PFSDP拒动问题，本文提出了一种故障响应式叠加电压补偿策略（FRSVC）。FRSVC是一种完全编程在IIDG和GFES本地控制器中的变换器侧控制策略。它通过主动重塑故障相序网络来恢复PFSDP的性能，无需对电网中运行的传统PFSDP进行任何软件或硬件修改。

所提策略的主要目标是

案例研究

使用PSCAD/EMTDC构建仿真模型，如图1所示。线路参数、变压器参数和负载参数的详细信息可参见图1。将Z_set设定为线路阻抗的85%。在此110 kV系统中，单相接地（SLG）和两相短路（LL）故障的动作阈值通过将额定相电压和线电压乘以1.1的可靠系数来确定，分别约为70 kV和120 kV。在IBR侧，IIDG采用

结论

基于GFES-IIDG混合系统的建模与分析，本文研究了PFSDP性能退化的根本原因，并提出了一种故障响应式叠加电压补偿策略来恢复其可靠性。结论如下：

• 1)
  本文利用阻抗平面方法分析了不同LVRT策略下PFSDP的性能退化。负序电流抑制降低了电流分布系数C₂，驱动

资金来源

本研究由智能电网-国家科技重大专项（项目编号：2025ZD0807300）资助。

作者贡献声明（CRediT）

Wang Kaijie：论文初稿撰写、验证。Lin Xiangning：监督指导、经费获取。Huang Ziheng：数据管理。Yuan Xitao：可视化。Wei Fanrong：监督指导。Li Zhengtian：监督指导。

Wang Kaijie|Lin Xiangning|Huang Ziheng|Yuan Xitao|Wei Fanrong|Li Zhengtian