電力系統(tǒng)低頻減載

第四節(jié)電力系統(tǒng)低頻減載

一、概述

1)事故情況下，系統(tǒng)可能產(chǎn)生嚴(yán)重的有功缺額,因而導(dǎo)致系統(tǒng)頻率大幅度下降.

2)所缺功率已經(jīng)大大超過(guò)系統(tǒng)熱備用容量，只能在系統(tǒng)頻率降到某值以下，采取切

除相應(yīng)用戶的方法來(lái)減少系統(tǒng)的有功缺額，使系統(tǒng)頻率保持在事故允許的限額

之內(nèi).

3)這種方法稱為按頻率自動(dòng)減負(fù)荷.中文簡(jiǎn)拼為“ZPJH〃，英文為UFLS(Under

FrequencyLoadShedding).

二、系統(tǒng)頻率的事故限額

(1)系統(tǒng)頻率降低使廠用機(jī)械的出力大為下降，有時(shí)可能形成惡性循環(huán)，直至

頻率雪崩.

(2)系統(tǒng)頻率降低使勵(lì)磁機(jī)等的轉(zhuǎn)速也相應(yīng)降低，當(dāng)勵(lì)磁電流一定時(shí)，發(fā)送的

無(wú)功功率會(huì)隨著頻率的降低而減少，可能造成系統(tǒng)穩(wěn)定的破壞.

發(fā)生在局部的或某個(gè)廠的有功電源方面的事故可能演變成整個(gè)電力系統(tǒng)的災(zāi)

難.

(3)電力系統(tǒng)頻率變化對(duì)用戶的不利影響主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

①頻率變化將引起異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的變化,有這些電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的紡織、

造紙等機(jī)械產(chǎn)品的質(zhì)量將受到影響，甚至出現(xiàn)殘、次品.

②系統(tǒng)頻率降低將使電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速和功率降低,導(dǎo)致傳動(dòng)機(jī)械的出力降

低.

③國(guó)防部門和工業(yè)使用的測(cè)量、限制等電子設(shè)備將由于頻率的波動(dòng)而影

響準(zhǔn)確性和工作性能，頻率過(guò)低時(shí)甚至無(wú)法工作.“電力工業(yè)技術(shù)管理

法規(guī)〃中規(guī)定的頻率偏差范圍為士0.2?±0.5Hz.

(4)汽輪機(jī)對(duì)頻率的限制,頻率下降會(huì)危及汽輪機(jī)葉片的平安.由于一般汽輪

機(jī)葉片的設(shè)計(jì)都要求其自然頻率充分躲開(kāi)它的額定轉(zhuǎn)速及其倍率值.系統(tǒng)頻率下

降時(shí)有可能因機(jī)械共振造成過(guò)大的振動(dòng)應(yīng)力而使葉片損傷.容量在300MW以上的大

型汽輪發(fā)電機(jī)組對(duì)頻率的變化尤為敏感.例如我國(guó)進(jìn)口的某350MW機(jī)組,頻率為

48.5Hz時(shí)，要求發(fā)瞬時(shí)信號(hào),頻率為47.5Hz時(shí)要求30s跳閘，頻率為47Hz時(shí),要求

0s跳閘.進(jìn)口的某6000機(jī)組，當(dāng)頻率降至47.5Hz時(shí)，要求9s跳閘.

(5)頻率升高對(duì)大機(jī)組的影響.電力系統(tǒng)因故障被解列成幾個(gè)局部時(shí)，有的區(qū)

域因有功嚴(yán)重缺額而造成頻率下降，但有的區(qū)域卻因有功過(guò)剩而造成頻率升高,從

而危及大機(jī)組的平安運(yùn)行.例如美國(guó)1978年的一個(gè)電網(wǎng)解列，其中1個(gè)區(qū)域頻率

升高,六個(gè)電廠中的14臺(tái)大機(jī)組跳閘.我國(guó)進(jìn)匚某600MW機(jī)組，當(dāng)頻率升至52Hz

時(shí)，要求小于O3s跳閘.

(6)頻率對(duì)核能電廠的影響.核能電廠的反響堆冷卻介質(zhì)泵對(duì)供電頻率有嚴(yán)

格要求，如果不能滿足,這些泵將自動(dòng)斷開(kāi),使反響堆停止運(yùn)行.

綜上所述，運(yùn)行規(guī)程要求電力系統(tǒng)的頻率不能長(zhǎng)時(shí)期的運(yùn)行在49.5?49Hz以

下；事故情況下不能較長(zhǎng)時(shí)間的停留在47Hz以下,瞬時(shí)值那么不能低于45Hz.

所以在電力系統(tǒng)發(fā)生有功功率缺額的事故時(shí)，必須迅速斷開(kāi)相應(yīng)的用戶，使頻率

維持在運(yùn)行人員可以沉著處理的水平上,然后在逐步恢復(fù)到正常值.由此可見(jiàn),

按頻率自動(dòng)減負(fù)荷裝置“ZPJH〃是電力系統(tǒng)一種有力的反事故舉措.

三、系統(tǒng)頻率的動(dòng)態(tài)特性

電力系統(tǒng)出現(xiàn)功率缺額時(shí)，系統(tǒng)的穩(wěn)定頻率/必然低于額定頻率/,系統(tǒng)頻率從7

變化到了的過(guò)程就反映出電力系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)頻率特性.系統(tǒng)頻率變化不是瞬

間完成的，而是按指數(shù)規(guī)律變化,其表示式

為

f=fs+e-Tf(3-46)

式中/由功率缺額引起的另一個(gè)穩(wěn)定運(yùn)

行頻率圖3-23系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)頻率特性

T/系統(tǒng)頻率變化的時(shí)間常數(shù),它與系統(tǒng)等值機(jī)組慣性常數(shù)以及負(fù)荷調(diào)

節(jié)效應(yīng)系數(shù)K有關(guān),一般在（4?10）間.大系統(tǒng)為較大，小系統(tǒng)%較小.

“輪〃：計(jì)算點(diǎn)八廣…?f點(diǎn)1：系統(tǒng)發(fā)生了大量的有功功率缺額點(diǎn)2：頻率下降

到力第一輪繼電器起動(dòng),經(jīng)一定時(shí)間A才1

點(diǎn)3：斷開(kāi)一局部用戶，這就是第一次對(duì)功率缺額進(jìn)行的計(jì)算.

點(diǎn)3-4：如果功率缺額比擬大，第一次計(jì)算不能求到系統(tǒng)有功功率缺額的數(shù)值，

那么頻率還會(huì)繼續(xù)下降,很顯然由于切除了一局部負(fù)荷,功率缺額已經(jīng)減小，所有

頻率將按3-4的曲線而不是3-3曲線繼續(xù)下降.

點(diǎn)4：當(dāng)頻率下降到7時(shí),ZPJH的第二輪頻率繼電器啟動(dòng)，經(jīng)一定時(shí)間A/2后點(diǎn)5：

又?jǐn)嚅_(kāi)了接于第二輪頻率繼電器上的用戶.

點(diǎn)5-6：系統(tǒng)有功功率缺額得到補(bǔ)償.頻率開(kāi)始沿5?6曲線上升，最后穩(wěn)定在/.

8⑵

逐次逼近：進(jìn)行一次次的計(jì)算，直到找到系統(tǒng)功率缺額的數(shù)值（同時(shí)也斷開(kāi)了相

應(yīng)的用戶）.即系統(tǒng)頻率重新穩(wěn)定下來(lái)或出現(xiàn)上升時(shí),這個(gè)過(guò)程才會(huì)結(jié)束.

五、最大功率缺額確實(shí)定

1）保證在系統(tǒng)發(fā)生最大可能的功率缺額時(shí)，也能斷開(kāi)相應(yīng)的用戶，預(yù)防系統(tǒng)的乩

解，使頻率趨于穩(wěn)定.

2）對(duì)系統(tǒng)中可能發(fā)生的最大功率缺額應(yīng)作具體分析：有的按系統(tǒng)中斷開(kāi)最大容

量的機(jī)組來(lái)考慮；有的要按斷開(kāi)發(fā)電廠高壓母線來(lái)考慮等.如果系統(tǒng)有可能解列

成幾局部運(yùn)行時(shí),還必須考慮解列后各局部可能發(fā)生的最大功率缺額,這時(shí)整個(gè)

系統(tǒng)的最大功率缺額應(yīng)按各局部最大功率缺額之和來(lái)考慮.,所以這是一項(xiàng)要從

系統(tǒng)調(diào)度角度進(jìn)行協(xié)調(diào)的任務(wù).

4）系統(tǒng)功率最大缺額確定以后，就可以考慮接丁減負(fù)荷裝置上的負(fù)荷的總數(shù).

要求恢復(fù)頻率/可以低于額定頻率.

5）考慮到負(fù)荷調(diào)節(jié)效應(yīng),接于減負(fù)荷裝置上的負(fù)荷總功率°可以比最大功率缺

額尸小些.根據(jù)負(fù)荷調(diào)節(jié)效應(yīng)系數(shù)公式

K二年*f

L-（f-fe）/fISi國(guó)%

可以得到

P&二K二KAf

p-pffUhf

或P—扇物?礦

t3-

式中AT——恢復(fù)頻率偏差的相對(duì)值,并Q曉:…

Px減負(fù)荷前系統(tǒng)用戶的總功率.

式（3-47）中所有功率都是額定頻率下的數(shù)值.

例3-3某系統(tǒng)的用戶總功率為12800MW,系統(tǒng)最大的功率缺額Pfhe:二

900MW,負(fù)荷調(diào)節(jié)效應(yīng)系數(shù)犬=2,自動(dòng)減負(fù)荷動(dòng)作后，希望恢復(fù)頻率值r=

/?Jhf

48Hz,求接入減負(fù)荷裝置的負(fù)荷總

功率pO

JH

解減負(fù)荷動(dòng)作后，殘留的頻

率偏差相對(duì)值

Ar50-48

A/=---------=0.04

外50

由式(3-47)

900—2X0.04X2800:734MW

1-2x0.04

六、各輪動(dòng)作功率的選擇

1）第一級(jí)動(dòng)作頻率

一般第一級(jí)動(dòng)作頻率選擇要高一些,減負(fù)荷限制裝置的效果就好一些.但是又可

能在系統(tǒng)備用容量還未來(lái)得及發(fā)揮作用，而使頻率暫時(shí)下降時(shí),不必要地?cái)嚅_(kāi)部

分用戶.一般的一級(jí)啟動(dòng)頻率整定在49Hz.

2）最后一輪的動(dòng)作頻率

對(duì)高溫高壓火電廠,在頻率低于46-46.5Hz時(shí)，廠用電已不能正常工作.在頻率

低于45Hz時(shí)，電壓可能大量降低,嚴(yán)重時(shí),可能便電力網(wǎng)瓦解.因止匕自動(dòng)減負(fù)荷

裝置最后一輪的動(dòng)作頻率最好不低于46?46.5Hz；當(dāng)然對(duì)于備用容量充裕的火

電系統(tǒng)和以水電為主的系統(tǒng)，如果必要，也允許稍低一些，但不應(yīng)低于45Hz.3）前

后兩級(jí)動(dòng)作的頻率間隔

前后兩級(jí)動(dòng)作的時(shí)間間隔是受頻率測(cè)量元件的動(dòng)作誤差和開(kāi)關(guān)固有跳閘時(shí)

間限制的.最嚴(yán)重的情況是前一級(jí)測(cè)量元件具有負(fù)誤差、后一級(jí)具有正誤差,相

應(yīng)的頻率誤差為

△f=2Af.+Aft+竺

（3-48）

式中A/——頻率元件的最大誤差；,

A乙一一對(duì)應(yīng)于A,時(shí)間內(nèi)的頻率變化，一般可取0.15Hz；

A/——兩級(jí)間留有的頻率裕度值,一般可取0.05Hz.

采用級(jí)數(shù)不多的低頻減負(fù)荷限制舉措,有時(shí)可能減負(fù)荷過(guò)多，使頻率上升過(guò)

高,有時(shí)又可能減負(fù)荷缺乏,造成頻率下降過(guò)低.為此，可采用增加級(jí)數(shù)的和縮

小各級(jí)之間級(jí)差的方法來(lái)解決.

七、各輪最正確斷開(kāi)功率的計(jì)

算

1）系統(tǒng)頻率的最后穩(wěn)定值在最大恢復(fù)頻率,與最小恢復(fù)頻率/之間

2）（,一,）是正比于ZPJH第/次的計(jì)算誤差的

3）當(dāng)ZPJH動(dòng)作后,可能出現(xiàn)的最大誤差為最小時(shí),ZPJH就具有最高的選擇性.

4）力f.min爭(zhēng)頭上寺于將冰牛匕的切作狽舉fd以“

5）一般情況下，各輪的f是不同的，而ZPJH的最終計(jì)算誤差那么應(yīng)按其

中

lif-max-/

最大的計(jì)算.根據(jù)極值原理,顯而易見(jiàn),要他PJH裝置的誤差為最小的條件

是：

/7fmaXl=/max-2==hfhvaxn=hfO（3-49）

⑴谷施欣及步貝舉的取天但叫芍虐如卜：當(dāng)系統(tǒng)步貝舉緩慢卜降，開(kāi)止好棉）￡仕碩

第i輪繼電器的動(dòng)作頻率向時(shí),第i輪繼電器動(dòng)作,并斷開(kāi)了相應(yīng)的用戶功率

AP,于是頻率上升到這一輪的最大恢復(fù)頻率了

Itf-llkiX-J

特性士表示第i輪動(dòng)作前的系

統(tǒng)負(fù)荷調(diào)節(jié)特性；

特性b：表示第i輪動(dòng)作后的系

統(tǒng)負(fù)荷調(diào)節(jié)特性.

圖3-26第i輪動(dòng)作后系統(tǒng)頻率穩(wěn)定值與功率平衡的關(guān)系

按上述假定，第i輪動(dòng)作前頻率正好穩(wěn)定在L「圖中表示此時(shí)負(fù)荷調(diào)節(jié)效應(yīng)的補(bǔ)

償功率為AR.,根據(jù)負(fù)荷調(diào)節(jié)效應(yīng)系數(shù)公式,有

AP

一忑J二1fu，

P-2^p

k=\

式中2AP——ZPJH裝置前\1輪斷開(kāi)的總負(fù)荷功率.A

bl

為了簡(jiǎn)化起見(jiàn),把所有功率都以ZPJH裝置動(dòng)作前的系統(tǒng)總負(fù)荷勺的百分值

來(lái)表示.那么

100—

[L9dzie

如果此時(shí)輪到第i輪動(dòng)作了，頻率就會(huì)上升到6負(fù)荷調(diào)節(jié)效應(yīng)的補(bǔ)償功率

A凡“0%相應(yīng)為

AP%=q00-2AP%]/fA(/

bfltOI匕一L'hfOe

由于APh,%=APMI/OP/Q

所以(『

inn.2AP%

(3-50)

利用式(3-49)將各輪斷開(kāi)功率整理如表3-1

ZPJH裝置各輪斷開(kāi)功率之和aPk%應(yīng)等于ZPJH裝置總的減負(fù)荷功率"1

P./”％,由式(3-47)可得,ZPJH裝置總得減負(fù)荷功率用系統(tǒng)全部負(fù)荷得的百％

分值表示時(shí)?,為

P%==ZAP%(3.51)

出

-K*/??，―?

動(dòng)作頻

輪次

率

Kf\f人

1AP%=L泉麗d:\

1f-Ky■力,/、

2AP%：2=(100-AP%)

'f-K(f-f_2

qeyul

3TOU-￡AP%'K'f-f人-i.j

*=i'J——-K??J)

?7)、

AP%=",100-2AP%,「累〃|O&i

'XIJ，

表3-1各輪斷開(kāi)功率

聯(lián)立表3-L諸式及式(3-51)可解出/,然后在按表3-L逐輪求出應(yīng)斷開(kāi)的功率.

由于滿足條件式(3-49),故ZPJH裝置的選擇性最高各輪斷開(kāi)功率的地點(diǎn)，應(yīng)經(jīng)

系統(tǒng)協(xié)調(diào)后統(tǒng)一安排.

圖3-27是用圖解法求/的例子，對(duì)

應(yīng)于K=2選擇性級(jí)差為0.5Hz,ZPJH裝

置共七輪,各輪的動(dòng)作頻率在48?45Hz間

均勻分布的情況.圖中曲線I是由表3-L

在假定不同的一下求得的￡A.%；曲線

II是在不同的缺額

圖3-27求/的圖解法k=P

功率叱尉時(shí)，根據(jù)式(3-51)畫(huà)出的.

曲線I和曲線II交點(diǎn)的橫坐標(biāo)就是所求的f為保證第一輪繼電器的動(dòng)作，應(yīng)

有f>f,所以只有在々的〉43%的系統(tǒng)(K=2)里,用0.5Hz級(jí)差時(shí)，采用七輪才是必要

的.當(dāng)系統(tǒng)最大功率缺額小于43%時(shí),可以將ZPJH裝置的輪數(shù)減少到六輪或者五

輪；或設(shè)法減少級(jí)差頻率，增多動(dòng)作輪數(shù),這對(duì)提升整個(gè)系統(tǒng)動(dòng)作選擇性是有利的.

八、特殊輪的功用與斷開(kāi)功率的選擇

1)第，?輪動(dòng)作后，系統(tǒng)頻率穩(wěn)定在低于恢復(fù)頻率的低限〃如，但乂缺乏使,?+1輪減

負(fù)荷裝置動(dòng)作

2)特殊輪的動(dòng)作頻率后，

3)它是在系統(tǒng)頻率已比擬穩(wěn)定時(shí)動(dòng)作的，因此其動(dòng)作時(shí)限可以取系統(tǒng)頻率時(shí)間

常數(shù)T的2?3倍,一股為15?25s

Tf

4)特殊輪斷開(kāi)功率可按以下兩個(gè)極限條件來(lái)選擇：

(1)當(dāng)最后第二輪即n-1輪動(dòng)作后，系統(tǒng)頻率不上升反而降到最后一輪，

即第n輪動(dòng)作頻率/附近,但又缺乏使第n輪動(dòng)作時(shí),那么在特殊輪動(dòng)作斷開(kāi)其所

接用戶功率后，系統(tǒng)頻率應(yīng)恢復(fù)到的際以上,因此特殊輪應(yīng)斷的用戶功率為

(八—T.\科

AP%>1100—VAP%I-/--------、皿一/一、—

次Ik以卜)f—Kf—f)

eLehf-min

(3-52)

⑵當(dāng)系