第三章第四節(jié)電力系統(tǒng)低頻減載

1、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(hù)的辦法來(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 種辦法稱(chēng)為按頻率自動(dòng)減負(fù)荷。中文簡(jiǎn)拼為“ ZPJH”， 英文為UFLS（ UnderFrequency Load Shedding） 。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

2、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(hù)的不利影響主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面： 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。 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。 國(guó)防部門(mén)和工業(yè)使用的測(cè)量、控制等電子設(shè)備將因?yàn)轭l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±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

3、的安全。因?yàn)橐话闫啓C(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600MW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)部分時(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)組的安全運(yùn)行。例如美國(guó)1978 年

4、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)口某600MW 機(jī)組， 當(dāng)頻率升至52Hz時(shí)，要求小于0.3s跳閘。（ 6）頻率對(duì)核能電廠的影響。核能電廠的反應(yīng)堆冷卻介質(zhì)泵對(duì)供電頻率有嚴(yán)格要求，如果不能滿(mǎn)足，這些泵將自動(dòng)斷開(kāi)，使反應(yīng)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49.549Hz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)值則不能低于45Hz。-76-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(hù)，使頻率 維持在運(yùn)行人員可以從容處理的水平上。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“ ZP

5、JH”是電力系統(tǒng)一種有力的反事故措施。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f必然低于額定頻率fe,系統(tǒng)頻 率從fe變化到f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)頻率變化不是瞬圖3-23系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)頻率特性間完成的，而是按指數(shù)規(guī)律變化，其表示式為tf f f e f e Tf（3-46）式中f 由功率缺額引起的另一個(gè)穩(wěn)定運(yùn)行頻率Tf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) Kl有關(guān)，一般在（410）間。大系統(tǒng)Tf較大，小系統(tǒng)Tf較小o圖3-24系統(tǒng)頻率的變化過(guò)程四、自動(dòng)低頻減載（按頻率自動(dòng)減負(fù)荷裝置“ ZPJH”）的工作原理-76-“輪”：

6、計(jì)算點(diǎn)仆f2fn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f 1，第一輪繼電器起動(dòng)，經(jīng)一定時(shí)間t1點(diǎn) 3：斷開(kāi)一部分用戶(hù)，這就是第一次對(duì)功率缺額進(jìn)行的計(jì)算。點(diǎn)3-4：如果功率缺額比較大，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部分負(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f2時(shí)，ZPJH的第二輪頻率繼電器啟動(dòng)，經(jīng)一定時(shí)間t2后點(diǎn) 5：又?jǐn)嚅_(kāi)了接于第二輪頻率繼電器上的用戶(hù)。點(diǎn)5-6:系統(tǒng)有功功率缺額得到補(bǔ)償。頻率開(kāi)始沿56曲線回升，最后穩(wěn)定在f。逐次逼近：進(jìn)行一次次的計(jì)算，直到找到

7、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(hù)）。即系統(tǒng)頻率重新穩(wěn)定下來(lái)或出現(xiàn)回升時(shí)，這個(gè)過(guò)程才會(huì)結(jié)束。五、最大功率缺額的確定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(hù)，避免系統(tǒng)的瓦解，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)有可能解列成幾部分運(yùn)行時(shí)，還必須考慮解列后各部分可能發(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)按各部分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，就可以考慮接于減負(fù)荷裝置上的負(fù)荷的總數(shù)。要求恢復(fù)

8、頻率fhf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Pjh可以比最大功率缺額Pqe小些q-根據(jù)負(fù)荷調(diào)節(jié)效應(yīng)系數(shù)公式Kl(PfhfPfhe)/PfhePfhf*Pfhf %(f fe) / fe可以得到嗑PjhrfefhfKLPxPjhfecPqeKl Px fhfPJH 1 Ki fhfKlfhf(3-47)式中 fhf*恢復(fù)頻率偏差的相對(duì)值, fe fhf fhf* ?fe-79-Px 減負(fù)荷前系統(tǒng)用戶(hù)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(hù)總功率為Pfhe = 2800MW,系統(tǒng)最大的功率缺額Pqe =900MW,負(fù)荷調(diào)節(jié)效應(yīng)

9、系數(shù)48Hz,求接入減負(fù)荷裝置的負(fù)荷總功率PJH。解減負(fù)荷動(dòng)作后，殘留的頻率偏差相對(duì)值50 48 f hf* 0.0450自動(dòng)減負(fù)荷動(dòng)作后，希望恢復(fù)頻率值fhf由式（3-47）得900 2 004 2800 : 734MWP JH1 2 0.04六、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)荷控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(hù)。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4646.5Hz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

10、量降低，嚴(yán)重時(shí)，可能使電力網(wǎng)瓦解。因此，自動(dòng)減 負(fù)荷裝置最后一輪的動(dòng)作頻率最好不低于 4646.5Hz;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 2 fe ft fy（3-48）式中fe 頻率元件的最大誤差；ft 對(duì)應(yīng)于t時(shí)間內(nèi)的頻率變化，一般可取 0.15Hz;fy 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)荷控制措施，有時(shí)可能減負(fù)荷過(guò)

11、多，使頻率上升過(guò)高，有時(shí)又可能減負(fù)荷不足，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、各輪最佳斷開(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f hf max i與最小恢復(fù)頻率fhf min i之間2)fhfmaxi fhfmini）是正比于ZPJH第i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)fhf min事實(shí)上等于特殊輪的動(dòng)作頻率fdzts5)般情況下，各輪的fhf maxi是不同的，而ZPJH的最終計(jì)算誤差則應(yīng)按其中最大的計(jì)算。根據(jù)極值原理，顯而易見(jiàn)，要使 ZPJH裝置的誤差為最小的條件是:f hf

12、 max 1 f hf max 2f hf maxn f hf 0(3-49)-80-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6)各輪恢復(fù)頻率的最大值fhf0可考慮如下：當(dāng)系統(tǒng)頻率緩慢下降，并正好穩(wěn)定在第i輪繼電器的動(dòng)作頻率fdzi時(shí)，第i輪繼電器動(dòng)作，并斷開(kāi)了相應(yīng)的用戶(hù)功率Pi ,于是頻率回升到這一輪的最大恢復(fù)頻率fhf maxi。特性a：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。按上述假定,第i輪動(dòng)作前頻率正好穩(wěn)定在f dzi ,圖中表示此時(shí)負(fù)荷調(diào)節(jié)效應(yīng)的-85-補(bǔ)償功率為P",根據(jù)負(fù)荷調(diào)節(jié)效應(yīng)系數(shù)公式，有PDZIfePbikn

13、KlPxRk 1式中i1Pkk 1ZPJH裝置前i 1輪斷開(kāi)的總負(fù)荷功率。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Px的百分值來(lái)表示。則i 1Pbi%100Pk% Kl Pdzi fek 1如果此時(shí)輪到第i輪動(dòng)作了，頻率就會(huì)回升到 /0,負(fù)荷調(diào)節(jié)效應(yīng)的補(bǔ)償功率Pbhf 0 %相應(yīng)為Pbfho %100i 1Pk% Kl fhf0 fek 1所以(3-50)Pbi%i 1P% 100 k 1PbhfO% + Pi %Klfhf 0fdziR% fe Kl fefhf0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Pk%應(yīng)等于ZPJH裝置總的減負(fù)

14、荷功率k 1Pjh%, 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 Px的百分值表小時(shí)，為Re%2KLfhf0n 1PJH %eLP %JHi(3-51)1 Kl fhf0輪次動(dòng)作頻率1f dz1_0/KLfhf0fdz1P %feKl fe fhf02f dz2F2%100P1% KL fhf0-0zfe Kl fe fhf03f dz32Kl fhf 0fdz3P3%100R% k 1fe Kl fefhf0nf dznn 1Kl fhf 0fdznPn%100R% k 1feKl fefhf0表3-1各輪斷開(kāi)功率聯(lián)立表3-1諸式及式（3-51）可解出fhf0,然后在按

15、表3-1逐輪求出應(yīng)斷開(kāi)的功率 由于滿(mǎn)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求fn.的圖解法圖3-27是用圖解法求 小0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4845Hz間均勻分布的情況。圖中曲線I是由表3-1在假定不同的端。下求得的n Pk%；曲線II是在不同的缺額 k 1功率Pqe%時(shí)，根據(jù)式（3-51）畫(huà)出的 qe曲線I和曲線II交點(diǎn)的橫坐標(biāo)就是所求的fhf0o為保證第一輪繼電器的動(dòng)作，應(yīng)有fhf0 fdz1，所以只有在Pqe%>43%的系統(tǒng)（K = 2）里，用0.5Hz級(jí)差

16、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)提高整個(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i輪動(dòng)作后，系統(tǒng)頻率穩(wěn)定在低于恢復(fù)頻率的低限fhfmini但又不足使i 1輪減負(fù)荷裝置動(dòng)作2）特殊輪的動(dòng)作頻率fdzts fhfmin3）它是在系統(tǒng)頻率已比較穩(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)的23倍，一般為1525s4）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n1輪動(dòng)作后，系統(tǒng)頻率不回升反而降到最后一輪， 即第n輪動(dòng)作頻率fdzn附近，但又不足使第

17、n輪動(dòng)作時(shí)，則在特殊輪動(dòng)作斷開(kāi)具所 接用戶(hù)功率后，系統(tǒng)頻率應(yīng)恢復(fù)到 fhfmin以上，因此特殊輪應(yīng)斷的用戶(hù)功率為n 1K L f hf minfdznPs%100Pk% k 1feKL fefhfmin(3-52)（2）當(dāng)系統(tǒng)頻率在第i輪動(dòng)作后穩(wěn)定在稍低于特殊輪的動(dòng)作頻率fdzts,特殊輪動(dòng)作斷開(kāi)具用戶(hù)后，系統(tǒng)頻率不應(yīng)高于 3s因此n 1K l fhf 0fdztsPs%100Pk% k 1fe Kl fe fhf03-53)只有在按式（3-53）算出的pts%小于式（3-52）的數(shù)值時(shí)，才按 式（3-52）選擇Pts%。九、 ZpJH 裝置的時(shí)限1） 為 了防止在系統(tǒng)發(fā)生振蕩或系統(tǒng)電壓短時(shí)間下降時(shí)ZpJH 裝置的誤動(dòng)作，要求裝置能帶有一些時(shí)限2） 但 時(shí)限太長(zhǎng)將使系統(tǒng)發(fā)生嚴(yán)重事故時(shí)，頻率會(huì)危險(xiǎn)地降低到臨界值以下。因此一般可以取為0.20