【精彩论文】锁相环的动态性能及对线路保护的影响分析

中国电力 2023-12-18

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汪冬辉，方芳

国网浙江省电力有限公司电力科学研究院

引文信息

汪冬辉, 方芳, 吕文韬,等.锁相环的动态性能及对线路保护的影响分析[J]. 中国电力,2020, 53(3): 110-118.

WANG Donghui, FANG Fang, LV Wentao,et al. Analysis of Dynamic Performance of Phase Lock Loop and its Effect on Line Relay[J]. Electric Power, 2020, 53(3): 110-118.

研究背景

目前电网中应用的可再生能源多采用变流器作为并网接口，变流器虽然具备多种控制模式供用户选用，然而大型的风电场或光伏电站基于经济性及运行的便利性考虑多采用PQ模式。此模式下由锁相环跟踪电网电压相角，变流器端口电压的频率和相角受锁相环输出结果的控制。在电网故障期间，电网本身的扰动有可能造成锁相环失稳，进而导致风机端口电压波动。当电场规模较大时，这一特性将愈加明显，有可能引起并网点附近的集电线或联络线的线路保护误动或拒动。

论文所解决的问题及意义

以往分析可再生能源对继电保护的影响时，往往针对机组外特性及控制环本身进行，很少涉及到锁相环及其性能。文章将锁相环引起的故障量特征分离开来分析，有以下优势：

（1）锁相环是影响变流器出口交流量频率和相角的关键因素，对于工频量保护，电气量频率和相角的快速波动对于保护有较大影响；

（2）有利于后续进一步分析变流器其他元件的特性对于保护还有哪些影响；

（3）文章对于大规模可再生能源并网送出线及附近联络线的线路保护的选型及整定具有参考意义。

论文重点内容

锁相环的非线性特性主要体现在频率合成的限幅环节上，理论上通过合理设置PI调节器的参数，不论中心频率设置为多少，锁相环都可以求出电网电压的实际频率。但是限幅环节产生作用后，锁相环求得的频率值可能完全受限于频率限制。正是因为有这一特性存在，锁相环设置的中心频率体现出了重要作用，频率误差只能围绕中心频率波动，并且不能超过电网频率波动的范围,如图1所示。

图1 不同限幅条件下锁相环输出频率及相角

利用RL模型分析系统发生单相短路，短路电流可认为是1个五阶信号。图2c）中展示的是五阶信号输入锁相环后频率输出量，其中直流分量和三次谐波含量均为10%。在信号阶数扩展到五阶后，可以明显看到锁相环输出频率波形中包含50Hz和100Hz2个特征。

图2 五阶信号含10%三次谐波锁相环输出频率及相角

若将三次谐波的含量调整为基波的50%，则这一特性将更为显著。在这样的条件下，经过积分作用的相角也发生了变化，相角轨迹不再是直线，如图3d）所示，在改变过程中频繁穿越工频相角轨迹。

图3 五阶信号含50%三次谐波锁相环输出频率及相角

一个典型的风电场并网主接线结构如图4所示，风电场包含40台1.58MW的直驱型风力发电机，全部采用变流器作为并网接口。

图4 主接线结构展示

如果35kV集电线上只有一台风机处于运行状态，这时候由于系统短路阻抗远远小于风机，系统提供的短路电流很大，风机本身的故障特征并不显著。此时差动保护的动作特性如图5所示。

图5 1台风机接入35kV集电线差动保护动作分析

当风电场内40台风机全部启动后，此时如果35kV集电线上发生三相故障。如图6所示，如果锁相环进行了限幅，差动曲线从故障开始时刻到故障结束均能稳定在差动动作区内。如果锁相环未进行限幅，可以看到动作曲线发生了大幅度的变动，在故障即将结束的时刻甚至出现了穿越到非动作区的情况，最后又返回动作区。

图6 40台风机接入35kV集电线差动保护动作分析

图7所示为35kV集电线发生三相短路故障时距离保护的测试结果，锁相环是否带有频率限制，对于距离保护的整个动作过程有一定影响。

图7 40台风机接入35kV集电线距离保护动作分析

在锁相环带限幅和不带限幅2种条件下分别测试90°功率方向元件的动作特性。从图8可以看出，当锁相环不带频率幅值限制时，正方向故障情况下此类方向元件不会出现误判，只是随着故障发生，相角轨迹略有偏移。

图8 不带频率限制90°功率方向元件动作曲线

如果锁相环带有频率幅值限制特性，那么90°功率方向元件的特性如图9所示。相位平稳无波动，方向判断准确。

图9 带频率限制90°功率方向元件动作曲线

研究结论

电网电压三相不平衡以及其中的谐波和非周期分量会引起锁相环的输出相角发生变化。限幅环节的引入对输出结果影响较大。几类常见的线路保护当中，如果单台电源的容量远小于电网容量，则对保护的影响不大。当可再生能源的规模不断增加，虽然单台的短路电流受限，但是短路电流的特性对于保护的影响难以忽略。差动保护、距离保护在部分情况下可能产生误动或拒动的情况，而90°功率方向元件受影响不大。

主要作者介绍

第一作者：汪冬辉，男，工程师，从事电力系统继电保护和安全稳定控制研究。

E-mail: 342736679@qq.com。

第二作者：方芳，女，高级工程师，从事电力系统继电保护和安全稳定控制研究。

E-mail: 355348107@qq.com。

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