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)用戶的辦法來減少系統(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）這種辦法稱為按頻率自動減負(fù)荷。中文簡拼為“ZPJH"，英文為UFLS（Under

FrequencyLoadShedding）o

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)頻率降低使勵磁機(jī)等的轉(zhuǎn)速也相應(yīng)降低，當(dāng)勵磁電流一定時，發(fā)

送的無功功率會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)生在局部的或某個廠的有功電源方面的事故可能演變成整個電力系統(tǒng)的

災(zāi)難。

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

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

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

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低。

③國防部門和工業(yè)使用的測量、控制等電子設(shè)備將因?yàn)轭l率的波動而影

響準(zhǔn)確性和工作性能，頻率過低時甚至無法工作。“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)對頻率的限制。頻率下降會危及汽輪機(jī)葉片的安全。因?yàn)橐话?/p>

汽輪機(jī)葉片的設(shè)計(jì)都要求其自然頻率充分躲開它的額定轉(zhuǎn)速及其倍率值。系統(tǒng)頻

率下降時有可能因機(jī)械共振造成過大的振動應(yīng)力而使葉片損傷。容量在300MW

以上的大型汽輪發(fā)電機(jī)組對頻率的變化尤為敏感。例如我國進(jìn)口的某35OMW機(jī)

組，頻率為48.5Hz時,要求發(fā)瞬時信號，頻率為47.5Hz時要求30s跳閘,頻率

為47Hz時;要求0s跳閘。進(jìn)口的某600MW機(jī)組，當(dāng)頻率降至47.5Hz時、要求

9s跳閘。

（5）頻率升高對大機(jī)組的影響。電力系統(tǒng)因故障被解列成幾個部分時，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1978年的一個電網(wǎng)解列，其中1個

區(qū)域頻率升高，六個電廠中的14臺大機(jī)組跳閘。我國進(jìn)口某600MW機(jī)組，當(dāng)頻

率升至52Hz時,要求小于0.3s跳閘。

（6）頻率對核能電廠的影響。核能電廠的反應(yīng)堆冷卻介質(zhì)泵對供電頻率有

嚴(yán)格要求，如果不能滿足，這些泵將自動斷開，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)的頻率不能長時期的運(yùn)行在49.5?49Hz

以下；事故情況下不能較長時間的停留在47Hz以下，瞬時值則不能低于45Hz。

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

按頻率自動減負(fù)荷裝置“ZPJH”是電力系統(tǒng)一種有力的反事故措施。

三、系統(tǒng)頻率的動態(tài)特性

電力系統(tǒng)出現(xiàn)功率缺額時，系統(tǒng)的穩(wěn)定頻率九必然低于額定頻率乙，系統(tǒng)頻

率從心變化到九的過程就反映出電力系統(tǒng)的動態(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=fg+（.fe-f^e~Tf（3-46）

式中/一一由功率缺額引起的另一個穩(wěn)定

運(yùn)行頻率

圖3-23系統(tǒng)的動態(tài)頻率特性

系統(tǒng)頻率變化的時間常數(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)七.有關(guān)，一般在（4?10）間。大系統(tǒng)一,較大，小系統(tǒng)為較小。

四、自動低頻減載（按頻率自動減負(fù)荷裝置“ZPJH”）的工作原理

O

圖3-24系統(tǒng)頻率的變化過程-76-

“輪”：計(jì)算點(diǎn)力、九……/?

點(diǎn)1：系統(tǒng)發(fā)生了大量的有功功率缺額

點(diǎn)2：頻率下降到人，第一輪繼電器起動，經(jīng)一定時間△力

點(diǎn)3：斷開一部分用戶，這就是第一次對功率缺額進(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)頻率下降到九時，ZPJH的第二輪頻率繼電器啟動，經(jīng)一定時間后

點(diǎn)5：又?jǐn)嚅_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。頻率開始沿5?6曲線回升,最后穩(wěn)定在九⑵o

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（同時也斷開了相

應(yīng)的用戶）。即系統(tǒng)頻率重新穩(wěn)定下來或出現(xiàn)回升時，這個過程才會結(jié)束。

五、最大功率缺額的確定

I）保證在系統(tǒng)發(fā)生最大可能的功率缺額時，也能斷開相應(yīng)的用戶，避免系統(tǒng)的

瓦解，使頻率趨于穩(wěn)定。

2）對系統(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)中斷開最大容

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

成兒部分運(yùn)行時，還必須考慮解列后各部分可能發(fā)生的最大功率缺額，這時整個

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)。

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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)頻率幾可以低于額定頻率。

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)荷總功率即可以比最大功率缺

額7v小些。根據(jù)負(fù)荷調(diào)節(jié)效應(yīng)系數(shù)公式

(Pq-PClPu/幾，％

可以得到

%-PJH_K九

=KL商城*

或P二--

加一\一人叫.

(3-47)

式中△九,---恢復(fù)頻率偏差的相對值，并△/曠=，「于忖；

fe

Px一一減負(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%=2800MW,系統(tǒng)最大的功率缺額兒.=

900MW,負(fù)荷調(diào)節(jié)效應(yīng)系數(shù)七.=2,自動減負(fù)荷動作后，希望恢復(fù)頻率值%=

48Hz,求接入減負(fù)荷裝置的負(fù)荷總

功率PjH。

解減負(fù)荷動作后，殘留的頻

率偏差相對值

Ar50—48??.

△%?=^-=°.O4

圖3-25例3-3示意圖

由式(3-47)得

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PjH=900-2x0.04x2800=734MW

1-2x0.04

六、各輪動作功率的選擇

1）第一級動作頻率

一般第一級動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)備用容量還未來得及發(fā)揮作用，而使頻率暫時下降時,不必要地?cái)嚅_部

分用戶。一般的一級啟動頻率整定在49Hz。

2）最后一輪的動作頻率

對高溫高壓火電廠，在頻率低于46?46.5Hz時，廠用電已不能正常工作。在頻率

低于45Hz時，電壓可能大量降低，嚴(yán)重時，可能使電力網(wǎng)瓦解。因此，自動減

負(fù)荷裝置最后一輪的動作頻率最好不低于46?46.5Hz；當(dāng)然對于備用容量充裕的

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）前后兩級動作的頻率間隔

前后兩級動作的時間間隔是受頻率測量元件的動作誤差和開關(guān)固有跳閘時

間限制的。最嚴(yán)重的情況是前一級測量元件具有負(fù)誤差、后一級具有正誤差，相

應(yīng)的頻率誤差為

V=2M+A/；+M

（3-48）

式中切一一頻率元件的最大誤差；

△——對應(yīng)于N時間內(nèi)的頻率變化，一般可取0.15Hz；

△f一一兩級間留有的頻率裕度值，一般可取0.05Hz。

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采用級數(shù)不多的低頻減負(fù)荷控制措施，有時可能減負(fù)荷過多，使頻率上升過

高，有時又可能減負(fù)荷不足，造成頻率下降過低。為此，可采用增加級數(shù)的和縮

小各級之間級差的方法來解決。

七、各輪最佳斷開功率的計(jì)算

1)系統(tǒng)頻率的最后穩(wěn)定值在最大恢復(fù)頻率九.與最小恢復(fù)頻率九..之間

JnJmaxrJ/ymini

2)(fhf是正比于ZPJH第i次的計(jì)算誤差的

JhfmaxiJnJmin1/

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

4)fbf.min事實(shí)上等于特殊輪的動作頻率九.

5)一般情況下，各輪的7V.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，要使ZPJH裝置的誤差為最小的條件

是：

f/?/-maxl=fhfmax?=.........=fhf-rn^n=fhfO(3-49)

6)各輪恢復(fù)頻率的最大值幾，。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輪繼電器的動作頻率九，時，第，輪繼電器動作，并斷開了相應(yīng)的用戶功率

△P,于是頻率回升到這一輪的最大恢復(fù)頻率o

特性a：表示第i輪動作前的系統(tǒng)

奐荷調(diào)節(jié)特性；

特性b：表示第，輪動作后的系統(tǒng)

奐荷調(diào)節(jié)特性。

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

按上述假定，第，.輪動作前頻率正好穩(wěn)定在/打，圖中表示此時負(fù)荷調(diào)節(jié)效應(yīng)的

補(bǔ)償功率為△兒，根據(jù)負(fù)荷調(diào)節(jié)效應(yīng)系數(shù)公式，有

R=KJPD；

k=l

式中LAA一—ZPJH裝置前i-1輪斷開的總負(fù)荷功率。

女=|

為了簡化起見，把所有功率都以ZPJH裝置動作前的系統(tǒng)總負(fù)荷p,的百分值

來表不。則

期,%=I1OO-X^%J

如果此時輪到第i輪動作了，頻率就會回升到幾.。，負(fù)荷調(diào)節(jié)效應(yīng)的補(bǔ)償功率

“網(wǎng)。％相應(yīng)為

%。％=(100-￡期%］勺*%。〃

\&=i/

由于△尸山％=APwo%+△R%

所以綱％=h0°勺.(九"fd)

I￡JLX-^U-A/O)J

(3-50)

利用式(3-49)將各輪斷開功率整理如表3-1。

ZPJH裝置各輪斷開功率之和玄△PA%應(yīng)等于ZPJH裝置總的減負(fù)荷功率

k=l

P/H%,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)荷凡的百

分值表示時，為

(3-51)

3=安段一%

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動作頻

輪次

率

poz_/人九。一￡/二）

物zl廠Kj丁啟。）

/八％二（loo—”%）右（￡夕一九）

.f/，（，-啟。）

/6％=flOO-2叫％]KUy—加）

3

IA-l）fe~K^Ue-fhfo）

勺.（京。-加）

/K%=（i（）（C%

\k=\4-MZ-A/O）

表3?1各輪斷開功率

聯(lián)立表3-1諸式及式（3-51）可解出3,。,然后在按表3-1逐輪求出應(yīng)斷開的功率。

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是用圖解法求為.。的例子,

LAP/%

48

對應(yīng)于K=2選擇性級差為0.5Hz,

nZPJH裝置共七輪，各輪的動作頻率在

48?45Hz間均勻分布的情況。圖中曲

線I是由表3-1在假定不同的人，。下求

364848.2548.548.75

得的NAPA%；曲線II是在不同的缺額

圖3-27求九川的圖解法*=|

功率仁%時，根據(jù)式（3-51）畫出的。

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曲線I和曲線II交點(diǎn)的橫坐標(biāo)就是所求的九°。為保證第一輪繼電器的動作,

應(yīng)有九。>加，所以只有在4％>43%的系統(tǒng)（K=2）里，用0.5Hz級差時,采用

七輪才是必要的。當(dāng)系統(tǒng)最大功率缺額小于43%時，可以將ZPJH裝置的輪數(shù)減

少到六輪或者五輪；或設(shè)法減少級差頻率，增多動作輪數(shù)，這對提高整個系統(tǒng)動

作選擇性是有利的。

八、特殊輪的功用與斷開功率的選擇

1）第i輪動作后，系統(tǒng)頻率穩(wěn)定在低于恢復(fù)頻率的低限//疝向但又不足使"1輪

減負(fù)荷裝置動作

2）特殊輪的動作頻率幾L月內(nèi).

3）它是在系統(tǒng)頻率已比較穩(wěn)定時動作的，因此其動作時限可以取系統(tǒng)頻率時間

常數(shù)「的2?3倍，一般為15?25s

4）特殊輪斷開功率可按以下兩個極限條件來選擇：

（1）當(dāng)最后第二輪即n—1輪動作后，系統(tǒng)頻率不回升反而降到最后一輪，

即第n輪動作頻率九”附近，但又不足使第n輪動作時，則在特殊輪動作斷開其所

接用戶功率后，系統(tǒng)頻率應(yīng)恢復(fù)到一步皿以上，因此特殊輪應(yīng)斷的用戶功率為

-fdzn)