弱电网多并网变换器关联脱网中的保护通道竞争与网络反馈诊断框架

《Electronics》：Protection Channel Competition and Network Feedback in Correlated Converter Disconnections

　　

在弱电网故障清除后，共用同一母线的多台跟网型变换器（grid-following converters, GFL）可能在短时间内相继脱网。哪些单元脱网以及通过何种保护动作脱网，取决于交流（AC）与直流（DC）过压功能的竞争、测量滤波器与定时器的记忆，以及首次脱网引起的电压变化；电压峰值校验或预设停运清单无法捕捉这些交互。本文提出一种针对特定模型的诊断框架，将变换器状态、滤波测量、定时器龄期和连接状态从一个保护事件传递至下一个保护事件，并通过三个条件解释结果：一次脱网引起的电压变化、待判定定时器的完成或复位，以及闭锁后剩余DC能量。在三变换器正序（positive sequence）基准系统上，对有界AC整定变更的所有组合进行闭环重仿真。提高AC阈值从未增加脱网单元数，这是该基准系统的结构性属性，而非物理保证。然而，在23,328次单整定比较中的830次，该变更将脱网转移至另一单元；在40次中，将同一单元的AC保护动作转变为DC保护动作；分别的整定变更不具有可加效应。固定拓扑继电器评估在5,832次运行中的613次识别出不同的脱网单元，这证明的是同一方程体系内的逻辑必要性校验，而非完整模型在物理上更准确的证据。在平均模型下，首次脱网提供的缓解强烈依赖所假定的电流中断规律。研究结果缺乏电磁暂态（electromagnetic transient, EMT）或硬件验证（hardware validation），且既不给出保护整定值，也不给出停运概率。

研究背景：弱电网中共用母线的多台跟网型变换器（grid-following converters, GFL）在一次故障清除后，会因交流（AC）与直流（DC）过压保护通道竞争、测量滤波与定时器记忆、首次脱网造成的端电压突变而发生关联脱网。仅用电压峰值校验或预设停运清单无法判断哪台单元脱网、由哪个保护通道动作，以及首次脱网如何改变其余单元的保护动作。研究人员因此构建模型特定诊断框架，保留连续变换器状态、滤波测量、定时器龄期、连接状态和首因锁存，并在每次整定变更后重新闭环求解。

关键技术方法：构建三变换器正序（positive sequence）基准系统与确定性参数网格，故障持续80—222 ms、K_q为2.40—3.70，共1944个参数点；对三台单元AC阈值的8种整定组合闭环枚举，基础步长62.5 μs，采用中点Runge—Kutta积分与端点guard判定，并以独立SciPy连续事件实现、步长细化、网络与DC能量残差校验；开展零延时、定时器复位、DC通道省略、固定拓扑继电器评估等消融，以及比例积分（PI）锁相环（phase-locked loop, PLL）、控制电压下限、有限电流中断规律和两个预设敏感性集。本研究不涉及样本队列。

研究结果：6.1 完整整定组合与设备特定变化：15,552条轨迹均低于硬限；原AC整定在1224/1944点至少一台脱网，全部改变后降至261点；仅改变单元1揭示269个抑制点；23,328次单整定比较中无脱网总数增加，但830次出现新的邻机脱网、40次发生AC至DC通道迁移、183次功率缺额积分增加，表明脱网数不变不等于受影响设备集和暂态缺额不变。6.2 AC至DC保护通道迁移：在200 ms、K_q=3.70下，改变单元2 AC阈值后其AC动作被DC动作替代，脱网延迟约2.52 ms，三台仍脱网，功率缺额积分仅减少0.000581140 p.u. s，说明避免某通道动作与保持设备连接并非同一结果。6.3 共同扰动与抑制性网络反馈：在120 ms、K_q=3.50点，guard越限早于首次动作，但目标单元在仅保留自身AC阈值时仍可动作；在80 ms、K_q=3.00点，单元1原动作使单元2端电压下降0.076480716 p.u.，使其滤波AC电压在剩余定时器到期前跌破阈值并复位；该反馈是特定整定与电流中断模型下的抑制效应。6.4 待定定时器与保留测量历史：144条轨迹中72个待定AC episodes，回溯包络判定64次完成、8次复位且无矛盾；24次完成时原始端电压幅值已低于阈值，说明测量滞后与保留龄期可使定时器在低瞬时电压下完成。6.5 残余源能量边界：单元1闭锁时w_b=1.512122022、p_sb=0.579947449，得T_b,crit=99.266743 ms，远高于名义8 ms源退出；在99.379579 ms案例中，设备约0.386 s已脱网，DC电压至1.072277 s才达硬限，表明闭锁后仍需校核DC能量尾部。6.6 局部保护变化的非可加效应：全单元计数与单独效应加和在326/1944点不同，缺额在749点不同，成对非零项分别为249、125、37点，三阶项在141点非零；两个案例显示单独改均导致不同结果，而联合改可不同。6.7 省略定时或DC保护的后果：5,832条轨迹上全模型有1,770个严重结果；零延时漏判434个，定时器复位漏判182个，省略软DC保护漏判183个任一脱网并产生57次AC硬限触发；固定拓扑评估在613/5,832次给出不同设备集，不能表示首次脱网对邻机的缓解，但因共享同一方程，该比较是逻辑必要性校验而非外部验证。6.8 数值验证与模型敏感性：独立连续事件复现9个代表首因；250与62.5 μs间117/15,552个原因向量变化，步长细化改变64/5,832个设备集和34个严重分类；有限中断下27个非零中断配置中26个保持原首因，3 ms反馈案例中单元2完成AC定时器，显示抑制效应可消失；重复扰动中复位与保持规则在10对中有5对不同。6.9 同步模型、控制下限与中断时间依赖：所有模型变化下无单整定比较增加脱网数，也无比较移除邻机脱网；PI-PLL三种设置分别使1,414、2,706、7,273/15,552个设备集变化，269个抑制点在三种PLL下保留149、110、104个；控制电压下限在评估范围内不改变动作集；有限中断使抑制点由269降至134和13，新邻机动作由830降至372和100。6.10 预设敏感性集：整定平移集中迁移2点、抑制410点、新邻机动作1,132次、非可加421点；延时集中迁移8点、抑制258点、新邻机动作722次、非可加287点，均无脱网数增加；机制在预设整定和运行点下仍出现，但代表性个案并不逐点迁移。

讨论与结论：讨论将结果分为保留模型内的不变结论、模型依赖结论及需电磁暂态（EMT）或硬件验证的结论。保留模型内，无有界局部AC整定变更增加脱网数，但可将脱网转移至邻机或由AC转为DC；单独局部变化不可加；待定AC定时器可因测量滞后与保留龄期在低于阈值的端电压下完成；残余能量关系表明闭锁单元可在脱网后很久才触及DC硬限，所考察闭锁状态的临界源退出时间常数为99.267 ms；固定拓扑评估可复现“是否有单元脱网”，却可在613/5,832次给出不同设备集，不能表示抑制性反馈。模型依赖方面，瞬时电流撤离下269个抑制点在1 ms和3 ms中断规律下仅保留134和13个；PI-PLL使9%—47%的设备集改变，并使近边界案例越过1.50 p.u. AC硬限；严重结果计数依赖阈值与积分步长。研究结论为：在平衡正序网络、聚合电流控制变换器、定延时保护、闭锁后不重启及所评估参数网格内，首次脱网立即降低邻机端电压，但继电器测量滞后且定时器保留已累积越限时间，邻机是否脱网取决于剩余定时器与测量滞后的竞争，修改单元是否保持连接取决于其竞争DC通道；混合状态可重现这些结果。该框架不提供保护整定值、停运概率，也不替代详细变换器、继电器与现场验证；负序量、开关纹波及实际中断电路对通道竞争和抑制反馈的影响仍需EMT或硬件试验确定。