（电气工程专业论文）低频减载装置研究.pdf

a b s t r a c t l a r g ep o w e rg r i d s ，l a r g ec a p a c i t yg e n e r a t o r sa n de x t r a - h i g hv o l t a g e s a r ei m p o r t a n tc h a r a c t e r i s t i c so fm o d e r np o w e rs y s t e m i t sr e l i a b i l i t ya n d e c o n o m i c a le f f i c i e n c yh a v eb e e ns i g n i f i c a n t l yi n c r e a s e d h o w e v e r ，t h e d a n g e ro ff r e q u e n c yc o l l a p s ea l w a y se x i s t s ，a n dh a sag r e a ti m p a c tf o r p o w e rs y s t e mr u n n i n g a tp r e s e n t ，o n eo ft h em e a s u r e sa d o p t e dt op r e v e n t f r e q u e n c yc o l l a p s e o f p o w e rs y s t e m i s l o a d i n gs h e d d i n gf o r u n d e r f r e q u e n c ye q u i p m e n t ( l s u f ) a n ds e p a r a t i o nd e v i c e s t h ec o n c e p t o f ”t h r e e d e l e n s e l i n e s ”h a sb e e np r o p o s e d a n dt h i se n h a n c e st h es t a t u s o fl s u fe q u i p m e n t s c h i n ah a su s e dt h el s u fe q u i p m e n ts i n c et h e19 5 0 s i nr e c e n t y e a r s ，a l o n g w i t ht h ed e v e l o p m e n to fp o w e rs y s t e ma n d c o m p u t e rt e c h n o l o g y ，c o m p u t e r l s u fe q u i p m e n t sh a v eb e e nu s e di na w i d e rr a n g e ，a m o n gw h i c hn 1 i c r o p r o c e s s o r b a s e dl s u fe q u i p m e n t sa r e m o r er a p i d l yd e v e l o p e d ，a n dh a v eag o o dp r o s p e c t i v em a r k e t t h i sp a p e rs t u d i e st h ei m p a c to ft h e f r e q u e n c yc h a r a c t e r i s t i c sa n d f r e q u e n c yo f f s e to fp o w e rs y s t e m t h ea c t i v ep o w e ra n df r e q u e n c yh a v e a ni n t e r a c t i o n a lr e l a t i o n s h i p ，s of r e q u e n c yd e v i a t i o nf r o mar e a s o n a b l e r a n g ew i l lc a u s eav e r ys e r i o u sr e s u l tt ot h ep o w e rs y s t e ma n dt h eu s e r s l s u fd e v i c e sa r eu s e dt oc u tt h ea c t i v el o a dt oa c h i e v et h ep u r p o s eo f s t a b l ef r e q u e n c y i nt h i sp a p e r ，ac e n t r a l i z e dl s u fd e v i c eb a s e do nd s pa n dm c ui s d e s i g n e d ，w i t h ad e t a i l e d d e s c r i p t i o no ft h eh a r d w a r ea n ds o f t w a r e p r o je c t sa n dl s u fc o n t r o ll o g i c t h ef r e q u e n c yc a l c u l a t i o ni st h ec o r eo f t h ed e v i c e i nt h i sp a p e r ，t h ez e r o c r o s s i n g f r e q u e n c ym e a s u r e m e n ti s a d o p t e d b e c a u s et h es a m p l i n gi n t e r v a li sf i x e d ，a n dt h e r e f o r et h e c a l c u l a t i o no ft h ep h a s o r sw i l li n e v i t a b l yb ea f f e c t e db yt h ef r e q u e n c y c h a n g e s i no r d e rt oe l i m i n a t et h i si m p a c t ，t h i sp a p e rp r e s e n t sa na d a p t i v e p h a s o ra l g o r i t h m ，a n d am a t l a bs i m u l a t i o ni sc o n d u c t e d s i m u l a t i o n r e s u l t ss h o wt h a tt h ea l g o r i t h mc a nm e e tp r o j e c tn e e d s t h ed e v i c ei nt h i sp a p e rh a v ep a s s e dt h es t a t i cs i m u l a t i o nt e s t si nt h e n c q t ra n d w i d e l yu s e d r t d ss i m u l a t i o nt e s t si nn c e p r i ，a n dt h ed e v i c eh a sb e e n i np r a c t i c a la p p l i c a t i o n s k e yw o r d s ：l o a d i n g s h e d d i n g f r e q u e n c yc h a r a c t e r i s t i c ：f r e q u e n c yo f f s e t ； f o r u n d e r f r e q u e n c y ( l s u f ) ； a d a p t i v ep h a s o r ；d s p ；r t d s 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作 和取得的研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不 包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得鑫鲞盘 生或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同 志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢 意。 学位论文作者签名：徐广皤 签字日期： 细矿年z 月，7 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解苤盗盘堂有关保留、使用学位论文 的规定。特授权天盗大堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有 关数据库进行检索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编 以供查阅和借阅。同意学校向国家有关部门或机构送交论文的复印件 和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：锈引哼 导师签名： 答字日期游蝴f f 日签字日期一归堋f 7 日 第一章绪论 1 1 本课题研究的意义 第一章绪论 1 1 1 电力系统频率稳定性问题 现代电力系统的特征是大容量机组、超高压线路和大范围远距离的 网络互连。它的可靠性和经济性得到显著提高，但是系统在大扰动下 维持频率稳定的能力却下降了，主要体现在以下几个方面1 3 3 3 ： ( 1 ) 大机组的增多，单机容量日益增大，使其惯性常数降低，使 得系统可能遭受的有功功率扰动增大。 ( 2 ) 新建电厂趋于大规模化，远离负荷区，使电源输电线路以及 联网的输电线路趋于重负载大潮流化，从而降低了输电线路事故时的 频率稳定性。 ( 3 ) 大机组对频率质量的要求严格，为了保护机组本身，一些大 型汽轮发电机配置了频率保护，运行频率过高或是过低，都可能导致 保护动作，从而引起破坏系统频率稳定的事故连锁发生，加剧系统的 崩溃。 ( 4 ) 工业负荷中的恒频传动负荷及民用负荷的增长使得负荷的频 率调节效应减少。 ( 5 ) 电源刚性化( 带基荷、可调节能力小) 。以核能、煤炭等为燃 料的电源，对负荷变化的响应性能差，这给维持正常频率带来困难。 由此可知，现代电力系统出现频率崩溃的危险性是客观存在的，并 在国内外系统中多次发生。国外如1 9 6 5 年11 月9 日美国东北部和加 拿大安大略省的大停电事故。国内也曾出现多次因低频减载装置配置 和运行维护不当，发生大停电事故。如贵州电网“8 6 ”事故及广州电 网“9 2 事故哺1 。 多次恶性频率事故所造成的重大经济损失更引起了各国电力系统 运行与管理部门对电力系统频率稳定问题的普遍关注。面对这种严峻 的局面，各国电力系统都把频率稳定作为十分重要的研究课题。 第一章绪论 1 1 2 低频减载的意义 通常电力系统具有热备用容量，正常运行时，如果系统产生正常的 有功缺额，可以通过对有功功率的调节来保持系统频率在额定值附近。 但是在事故情况下，系统有可能产生严重功率缺额，从而导致系统频 率大幅度下降。这时因为所缺功率已经大大超过系统的热备用容量， 系统中已无可调出力以资利用，因此只能在系统频率降到某值以下时， 采取切除相应用户负荷的办法来减少系统中的有功缺额，使系统频率 保持在事故允许的限额之内。国家经济贸易委员会2 0 0 1 年发布的电 力系统安全稳定导则( d l 7 5 5 - 2 0 0 1 ) ，将电力系统的扰动分为三类： 第一类为常见的普通故障，要求系统在承受此类故障时能保持稳定运 行与正常供电；第二类故障为出现概率较低的较严重的故障，要求系 统在承受此类故障时能够保证稳定运行，但允许损失部分负荷；第三 类故障为罕见的严重复杂故障，电力系统在承受此类故障时，如不能 保持系统稳定运行，则必须防止系统崩溃并尽量减少负荷损失。 国外许多电力系统也提出了类似的规定，例如北美电力可靠性协会 ( n e r c ) 的规划标准、前苏联的电力系统稳定导则和日本的电 力系统安全稳定调查总结等哺1 ，也都是将电力系统扰动按严重性分为 几类，并分别提出不同的安全要求。尽管各国对扰动的具体划分可能 有出入，但这种按扰动分类提出不同安全要求和措施的原则是普遍认 同的。 针对导则中三种情况所采取的措施，即所谓保证安全稳定的三 道防线。这已为电力部门普遍接受并在实际工作中加以贯彻实施。第 三道防线就是要保证电力系统在严重复杂的故障下( 例如：两个及多 个系统元件同时故障退出运行；同一走廊的输电线路全部同时或相 继断开；系统中一个枢纽变电所全停；占系统容量比例较大的一 个发电厂全停；严重故障时继电保护及自动装置误动或拒动；严 重故障时断路器拒动；其他由多种偶然因素凑在一起的复杂故障 等) ，防止事故扩大，防止导致长时间的大范围停电，以免造成巨大 经济损失和社会影响。这就是设置第三道防线的重要意义哺1 。 电网事故暴露的问题包括：低频减载切除容量严重不足；低频减载 方案同机组低频跳闸定值不协调；电网结构不合理等。 调节系统功率不平衡主要有两种措施：增加功率输入或裁切负荷。 如果事故发生出现功率缺额时，系统旋转，备用容量将积极、尽可能 第一章绪论 快的阻止系统崩溃，这一方案称为低频调速控制( u f g c ) 。u f g c 必须在 系统频率刚开始下降时动作，并且是一种独立于能量系统( e m s ) 地区性 的控制。但当系统发生严重事故，旋转备用容量不足以弥补系统功率 缺额时，就应该有选择的切掉一部分负荷，从而阻止频率下降，这一 方案称为低频减载控制( l s u f ) 。由于现代电网经济运行的要求，系统 的备用容量偏低，低频减载成为严守第三道防线，防止系统崩溃的主 要手段引。 1 2 低频减载技术发展现状 防止电力系统频率崩溃事故有效的措施就是采用低频自动减载和 解列装置，在系统频率下降时及时切除足够数量较次要的负荷，或在 合适的点上将系统解列，以保证系统的安全稳定运行，并保证重要负 荷供电。国内外几乎所有的电网都采取了低频减载措施，做为安全运 行的最后一道防线 8 】。前苏联早在2 0 世纪4 0 年代就采取了低频减载 措施9 1 。我国在5 0 年代即开始在电力系统中使用低频减载装置【1 0 】。 考虑低频减载方案时，应从以下几点出发】【1 2 】： 首先，在各种运行方式和功率缺额下有效地防止系统频率下降至系 统安全运行的最低频率值，即频率危险点； 其次，使系统尽快恢复至4 9 5 5 0 h z 之间或低频减载装置首轮动 作值和5 0 h z 之间，无超调和悬停现象； 第三，在保证恢复系统稳定性和不越过系统安全运行频率点的前提 下切除的负荷尽可能少； 第五，联络线传输功率不过载，结点电压不越限； 第六，应能保证解列后的各孤立子系统也不发生频率崩溃。 针对以上要求，低频减载方案的整定成为研究重点，其中切负荷量 和切负荷点以及动作时间的选择是衡量减载方案的关键。基于近5 0 年 以来减负荷的研究可将低频减载方案大致分为以下几类：传统法、半 适应法、自适应法以及计算辅助算法。 1 2 1 传统法 传统法设定简单，不需要复杂的继电器。当系统频率低于整定值时， 传统法设定的继电器切除一部分负荷。如果频率继续下降，说明切负 荷量不足，当频率又低于第二步整定值时，继电器再次动作，并重复 第一章绪论 如上步骤，直到频率恢复。传统法中继电器的整定是离线的，基于操 作人员的运行经验和系统仿真引。 低频减载所切负荷的总量，应根据各种运行方式和各种可能发生的 事故情况找出实际可能发生的最大功率缺额来确定。各地区切负荷值 除了应满足整个系统按级按量的要求外，还应满足本地区电网发生严 重事故时的要求。在大多数系统中取系统额定容量的3 0 为切负荷总量 1 4 】 o 电网中应分别装设基本轮和特殊轮低频减载装置。基本轮应快速动 作，为了防止在系统振荡或电压急剧下降时误动作，一般可带0 13 0 1 5 s 的时限；基本轮按频率等距分级，每级切负荷量分别确定。特殊 轮是为了防止基本轮动作后频率滞留在某一不允许的水平上或防止频 率缓慢降低；特殊轮经一定时延动作。一般采用15 2 5 s ，特殊轮通常 按时间分级。基本轮中末轮动作频率要根据系统中各大机组对运行频 率的危险点而定，一般应略高于该危险点，设为厶。确定基本轮首轮 动作频率时，要考虑发挥旋转备用的作用，设为一。 传统法是根据系统运行数据预测可能会出现事故点，再提出时延和 切负荷的方案。实践证明大多数情况下，传统法整定的切负荷装置工 作正常，运行良好。但是这种离线整定的方法往往是根据系统最严重 故障下的频率绝对值情况来整定，虽然可以有效的阻止频率下降，但 没有考虑到运行时具体情况，以及事故等级的不同，往往会过量切除 负荷，或者无选择的切负荷，引起不必要的经济损失。 另外根据传统法整定减负荷装置切负荷必须等到频率降低到整定 值以下才动作，可能会错过最佳切除时间，也会导致对继电器正确动作 的依赖，在伴随低电压等其他故障时，继电器可能由于电压或电流低 于正常工作值而被闭锁、无法动作。 1 2 2 半适应法7 1 半适应法当频率下降到设定的频率点时，测量当前的频率变化率。 根据频率变化率d f d t 的值决定具体切负荷的量。也就是说，半适应 法测量频率通过某一频率点的速度，这一速度越高切除的负荷就越多。 通常，频率变化率的测量点选择频率下降、继电器动作的第一点，其 后继电器动作的整定与传统法相同。一般是在装置上增加了根据d r d r 来动作的加速轮。 半适应法在切负荷的第一步监测了频率变化率，那么第一步的切负 第一章绪论 荷量在理论上说比传统法有选择性。但实践表明，这还远远不够。半 适应法虽然切负荷量比传统法有改善，但优势不明显。在严重故障时， 动作曲线与传统法基本相同，没有明显改善。原因在于严重故障功率 缺额较大，通常需要动作一步以上，半适应法只是在第一步监测了频 率变化率，对后续动作没有性能改善。 1 2 3 自适应法 1 自适应法是基于频率微分和系统频率响应模型建立的。根据简化的 系统频率响应模型，可以得到频率变化率的初值与导致系统频率下降 的扰动负荷值t e p 的关系： 等l = 只印2 h a l l f ：o d 其中，与1s t e p 均为基于系统基准值的标么值，h 为系统惯性常数。 可见频率变化率与系统功率缺额成比例，通过测量动作时刻的频率变 化率就可以算出应切除的负荷值。可以看出，理论上自适应法可以准 确的切除多余负荷。但实际切负荷量不用等于根据上式算出的值。考 虑到自适应法是基于简化的系统频率响应模型的，计及简化条件，应 乘于修正系数。通常通过上述计算得出切除负荷的估计值。 实践表明，自适应法在严重事故时，切负荷量明显低于前述方法。 自适应法可以相对准确的根据实时系统频率变化情况，决定切负荷量， 对系统的低频减载性能有了较大的改善。但是也存在一些问题： 简化 频率响应模型的简化对切负荷的影响未可知；系统发电机退出时，惯 性常数发生变化，导致计算偏差。在大系统中，发电机引起的惯性常 数变化通常可以忽略；一些实验表明，自适应法在减少切负荷量的同 时频率下降较大，可能会低于最低频率点。 1 2 4 计算机辅助算法n 1 现代电力系统运行复杂，突发事故增加，要求相关装置在异常时迅 速、准确的做出反应，采取适当措施，这需要准确的采集系统信息。 相关工具应运而生，其中有代表性的是专家系统。专家系统由设备与 子系统诊断与故障定位、警报分析、负荷预测、稳定分析、阻止与更 正措施的实施等几部分组成。现代信息技术的发展使大规模数据信息 的采集成为可能，使用s c a d a 或d c s 等软件可以在线采集数据信息， 网络与现场总线技术的发展又可以远程控制切负荷。可见专家系统的 第一章绪论 出现使得电力系统自动化和智能化的程度明显提高。专家系统还可以 离线使用，作为训练工具来训练操作员在紧急情况下如何做出正确反 应。应用在电力系统低频减载方面的专家系统主要是通过对数据采集 系统的采集信息分析，采用一定算法，在故障情况下，决定最优减负 荷方案，主要是针对减负荷点和减负荷量的确定。专家系统中针对低 频减负荷方案整定的几种代表性的算法有遗传算法、神经网络、模糊 理论等。 1 3 低频减载产品评价 目前，传统法和半适应法在低频减载产品上得到广泛的应用；自适 应法和计算机辅助算法一般应用在更高端的产品上，例如稳控系统等， 本文不再讨论。根据低频减载的实现方式，可以大体分为两类： ( 1 ) 把低频减载分散在每条馈线的保护装置中。在馈线保护装置 中增测频环节，实现低频减载的控制功能。分散控制不仅能避免减载 的不均衡而引起的线路过载的可能性，而且能减小频率继电器的误动 或拒动所造成的影响。采用这一方式产品的厂家主要是南瑞、许继、 四方、南自、东方电子等国内的保护生产商，例如南瑞的r c s 9 6 1 1 、东 方电子的d f 3 3 2 2 e 等。这种方式简单，由于功能内置在保护中，用户 不必单独购买低频减载装置，减少了投资和现场电缆的铺设，因此属 于现在市场的主流。但它的缺点也是明显的：第一，控制逻辑简单， 无法实现更精细的控制，一般只考虑了一轮低频控制，没有考虑多轮 和加速轮，低频减载的效果受到影响；第二，低频功能分散在保护装 置中，各装置各自为战，很难协调动作。因此，这种方式多适用于对 低频减载要求简单的场合。 ( 2 ) 采用专用的低频减载装置，将全部馈线分为基本轮、特殊轮 和加速轮，然后根据频率下降的情况去切除负荷。目前，低频减载装 置的厂家有南瑞、四方、南自、东方电子等，例如南瑞的u f v 一2 0 0 a 、 东方电子的d f 3 3 8 8 等。各厂家的装置功能相似，一般有低频减载和低 压减载两种功能。每种功能包括基本轮、特殊轮、加速轮。这种方式 的优点是：第一，控制逻辑满足用户对低频减载的要求，可以实现精 细的控制；第二，全站的低频功能集中实现，方便管理；第三，装置 一般都带有低压减载功能，能够更好的维持系统的稳定。它的缺点是： 第一，增加了投资成本，现场电缆铺设工作量大；第二，一旦装置出 第一章绪论 现问题，影响范围很大。目前，随着电力系统对供电稳定性要求的提 高，低频减载装置的应用越来越广泛。 1 4 本文研究的内容和主要工作 本文研究了电力系统频率特性和频率偏差的影响，设计了一种基于 d s p 和m c u 的低频减载装置。论文中对低频减载装置的r t d s 的试验结 果进行了说明，证明了所设计的装置满足设计指标。 本文结构上分七章。第一章介绍了电力系统频率稳定和低频减载的 重要意义及研究现状。第二章对电力系统频率的稳定性和频率偏差的 影响进行了阐述，从理论和实际上说明了频率稳定对于电力系统的重 要性。第三章根据电力系统对低频减载的要求，设计了低频减载方案； 第四章简要介绍了各种频率算法，对传统的过零点测频做了一些改进， m a t l a b 的仿真结果表明该算法的实用性。第五章说明了低频减载装置 的软硬件设计方案，该方案具有良好的电磁兼容( e m c ) 性能和通用性。 第六章介绍了r t d s 和装置在r t d s 上的试验结果。第七章对全文进行 了总结。 第二章电力系统频率特性分析及偏差影响 第二章电力系统频率特性分析及偏差影响 2 1 电力系统频率静态特性m 1 3 当电力系统频率变化时，用户所消耗的功率也将随着改变。电力系 统负荷对频率变化的敏感程度，随着用户负荷性质的不同而异。第一 类用户吸收的有功功率与频率无关，例如电热设备、照明负荷、整流 设备等；第二类用户的有功功率与频率成正比，阻力矩等于常数的负 荷属于这一类，例如卷扬机、磨煤机、切削机床等；第三类用户消耗 的功率是频率的高于一次方的函数，属于这一类的用户有给水泵、风 泵电动机等。整个系统的负荷功率与频率的关系可综合用负荷静态频 率特性来表明。 严格说来，负荷功率的大小，还与其端电压有关，但在仅限于讨论 按频率减负荷的工作原理时，一般可以不计入电压的因素。 p 2 p e p 1 o f 1厶f 2 图2 1 负荷静态频率特性图 图2 1 表示了随着频率升高，用户消耗的有功功率增加；频率降低， 消耗的有功功率相应减少的负荷静态频率特性。负荷静态频率特性可 用下式表示 第二章电力系统频率特性分析及偏差影响 = 厶。+ k 厶，( 丢) + 匕。( ) 2 _ + e 易。( 丢) ” ( 2 - 1 ) je jeje 式中 ，一频率为厂时，整个系统消耗的有功功率，即整个负荷功率5 厶。一额定频率时，整个系统的负荷功率； 以、k 1 k 一各类负荷占总负荷的比例系数，并且有 k + k l + + k n = l 当频率偏离额定值不大时，根据线性化原理，可以近似地用一条直 线来表示负荷功率随频率变化的关系，即 以+ 觋。( 等) ( 2 2 ) 式中 卜负荷调节效应系数，并肌= 争l 瑙t + 2 孙棚b 郫= 锵= 鲁亍等或舻= 磷q 1 ) l e鹭鹭一 j 由上式可以看出，负荷调节效应系数k 表示当频率变化1 时，用 户消耗的有功功率相应地变化了k 。k 的大小由组成整个系统负荷的 各类不同负荷所占比重的大小来决定。不同电力系统的k 值不同，同 一电力系统在不同时间的k 值也不同，k 值二般在1 3 之间。 负荷有功功率也可以用百分值表示、而频率用数值表示。如取 ，= 5 0 h z 时，有 蛾，( ) = 2 k k f ( 2 3 ) 负荷的调节效应对电力系统频率稳定运行的作用很大。如图2 2 ， 事故发生前，系统总负荷为匕，系统总发电功率为只。，它们在额定频 率疋时是平衡的，即厶，= 只，当发生一台发电机断开或一条输电线跳 闸等有功功率缺额的事故后，系统的有效发电功率降为只，出现的有 功缺额为肚= 只：一只，则系统的频率就会下降至一个新的频率稳定值 丘；如果这时用断开用户的方法使频率回升，图2 2 表示，若系统保 留的负荷为晚：，则频率又会重新稳定在f 。当然，如果保留负荷小于 厶：，则稳定频率就会大于疋；反之，保留负荷大于厶：时，频率会小 于f 的数值。 第二章电力系统频率特性分析及偏差影响 p p 豇 p 9 2 0 & 图2 2 系统频率稳定值 2 2 电力系统频率动态特性1 5 1 电力系统的动态频率特性就是当发生有功功率缺额的事故性缺额 时，频率下降的过程。 在考虑系统频率下降的动态特性时，一般认为可以将系统看成是一 个机械能与电能转换的整体，它的机械转动惯量，包括了系统所有转 动部分如汽轮机、水轮机、发电机、同步补偿机、电动机及被电动机 拖动的机械等的机械转动惯量，它们都以同一个等值转速，即在同一 个不断变化的机械数值下共同工作。据此可作如下分析。 电力系统任一有机械转动部分的点i ，无论它是发电或是用电单位， 其机械角速度的动态特性为： 以等= 弓一，( 2 - 4 ) 式中， 以一点i 的机械转动惯量； q 一点i 的机械转动角速度； 第二章电力系统频率特性分析及偏差影响 乃一点i 的驱动机械转矩； ，一点i 的制动机械转矩。 令为点i 的欷定机械转动角速度，则上式。司改写为 以警= 一， 并有 以等= 弓一岛， 式中名一点i 的驱动功率，并名= 彩； 厶，一点i 的制动功率，并，= ，国。 左端忽略了与哆间的差值 设电力系统中有机械转动部分的点共n 个，则 主以孥：羔( 岛一厶，) i = 1 u t , i = l ( 2 - 5 ) ( 2 - 6 ) ( 2 - 7 ) 若在在，z 个点中。发电机有个，负荷有尼个。对发电厂来说，弓为 机械功率，为电气功率，对负荷来说，为电气功率，匕。为机械 功率。从整个系统来说，必有 = ( 2 8 ) 令弓= 名系统总发电功率 厶。= 易系统总的负荷功率 则有 善n 以西訾一厶 ( 2 9 ) 将电力系统看成一个机械能与电能转换的整体后，其机械角速度的 动态方程式为 第二章电力系统频率特性分析及偏差影响 以蠢警= e 一匕 (纸=姊)(2-10) 式中 以= 喜“封= 喜以 公式( 2 10 ) 说明系统整体的机械转动惯量为各点等值机械转动惯 量以之和。 系统整体的惯性时间常数为加于系统整体的转矩差一直保持为 驱动力矩的额定值时，整体从静止加速到角速度为t o e 所需的时间 饥= 名q ) 。由公式( 2 1 0 ) 得 ：竺；缝( 2 11 )3 口pf 、 式中口转动角加谏唐 公式( 2 10 ) 可改写为 疋百d c o , = 。一。 ( 2 1 2 ) 式中名、易。一以系统总发电功率p g e 为基值时，整体发电功率与负 荷功率的标么值。如以系统负荷在额定频率时的总功率厶。为右端功率 的基值时，则又可写成 正瓦p g 。百d o , = 乞一p 乃 ( 2 1 3 ) 考虑到 d c o , d a c o , d a f , 一= 一= 一 d td td t p = 等)p = 争 及在事故情况下自动减负荷的过程中，系统各发电机组的进汽或进 水阀门均按开至最大计算，即单位时间的进汽量或进水量为定值，故 认为 a p , 。= 0 并按照公式( 2 - 2 ) 中的定义，得 瓦p g g 正鲁= 雌 第二章电力系统频率特性分析及偏差影响 把公式( 2 - 2 ) 代入上式，得 每z 堂d t + 坶= 。p e 一 或写成 每堂d t + 蝉= 。厶。 w 。” 其解为 鹭= a f 。e 1 | ( 2 - 1 4 ) ( 2 - 1 5 ) ( 2 1 6 ) 式中，瓴一频率额定值与稳定值之差，即瓴= z 一丘( 见图2 - 2 ) ； 乃频率下降过程的时间常数，即l = 冬。 j|pk 公式( 2 16 ) 说明系统频率的动态特性为一指数曲线，其时间常数 为系统机械惯性的时间常数的1 k ，大致在4 10 s 的范围内。 上述结论是把一个复杂系统简化为一个等值单机供电得到的。对于 复杂的实际系统，这个结论仍然是有价值的，因为它代表了全系统的 平均频率的变化。研究表明，这一结论与大型动态计算结果以及实际 的系统记录颇为吻合，因而可以用作讨论低频减负荷工作原理的依据。 2 3 电力系统频率允许偏差标准 电力系统频率反映了系统中有功功率的供需平衡情况，它不仅是电 力重要质量指标，也是影响电力系统安全稳定运行的重要因素。根据 我国有关规程规定，系统的额定频率为5 0 h z ，正常运行时，允许的频 率偏差不超过0 2 h z ，在使用调频装置时，规定频率偏差不超过 0 0 5 0 15 h z 1 7 】。但是在电力系统中有时会出现严重的有功功率缺额， 导致系统频率的下降，虽然这种下降没有达到使系统崩溃的程度，但 长期在低频下运行，也会产生很多的问题。 频率允许偏差分两大类：一类是电力系统运行频率允许偏差；另一 类是电力系统中发电、输变电设备和用电设备受电( 或发电) 频率允 许偏差，体现设备运行中承受电源频率偏差的能力。因此，设备在运 第二章电力系统频率特性分析及偏差影响 行中承受频率偏差的裕度和受电频率偏差是完全不同的概念，显然要 求前者小于后者。 对系统频率要求严格的用户，如一些高新技术负荷，容许系统频率 的偏差很小，有时靠整流一逆变的交流稳频驱动( 或直流稳频驱动) 等 措施，使一些对频率敏感的设备，免受系统频率波动的影响。由于电 力电子技术的发展，使这些措施得以实现。因此，从系统总体的发展 看，系统频率允许偏差，也没有进一步缩小的需求趋势。对系统频率 的质量要求，关键在于保持正常频率允许偏差范围内运行的持续性和 供电可靠性的进一步提高。 2 4 频率下降的影响 2 4 1 频率下降对发电设备的影响 电力系统频率下降时，导致电厂辅助机械出力减小，继而发电出力 下降，使系统频率更加降低，起着趋向频率崩溃的推波助澜的作用【1 8 】 【1 9 1 o 系统低频率运行，对各类发电厂的影响有相当大的差别。影响的程 度是由频率下降的幅度及其持续时间共同确定的。短暂的l 、2 秒频率 下降和数分钟的持续低频率，影响完全不同。长达数分钟甚至数十分 钟的低频运行，发电机组冷却系统出力下降引起的设备过热、振动尤 其是共振应力引起的汽轮机叶片疲劳和损伤及发电机电动势的降低等 均需分别采取防范措施，视机组的设计、己运行的年限等作不同的处 理。 ( 1 ) 频率下降时，汽轮机叶片的振动会变大，轻则影响使用寿命， 产生裂纹。对于额定频率为5 0 h z 的电力系统，当频率降低到4 5 h z 附 近时机的叶片可能因产生共振而断裂，造成重大事故。 ( 2 ) 频率下降到4 7 4 8 h z 时，由异步电动机驱动的送风机、吸 风机、给水泵、循环水泵和磨煤机等火电厂厂用机械的出力随之下降， 火电厂锅炉和汽轮机的出力也随之下降，从而使火电厂发电机发出的 有功功率下降。这种趋势如果不能及时制止，就会在短时间内使电力 系统频率下降到不能允许的程度，这种现象称为频率雪崩。出现频率 雪崩会造成大面积停电，甚至使整个系统瓦解。 ( 3 ) 在核电厂中，核电站有受低频率影响很大的辅助机械。例如 第二章电力系统频率特性分析及偏差影响 压水堆核电站的冷却介质泵。反应堆冷却效果取决于介质泵的受电频 率，系统频率下降必然导致冷却水的流速下降，对机组安全造成威胁。 当频率降到一定数值时，冷却介质泵会自动跳开，使反应堆停止运行。 ( 4 ) 频率下降还会引起励磁机出力下降，并使发电机电动势下降， 导致全系统电压水平降低。如果电力系统原来的电压水平偏低，在频 率下降到一定值时，可能出现电压快速且不断下降，即所谓的电压雪 崩现象。出现电压雪崩会造成大面积停电，甚至使整个系统瓦解。 ( 5 ) 在水电站中，频率降低造成内冷型机组因冷却介质流动速度 减慢，降低了冷却效率，而迫使机组出力下降。但水轮发电机组群中 采用内冷却的为数不多，则低频率运行将不至于影响系统中水轮发电 机组总体的供电能力。 2 4 2 频率下降对输电设备的影响 ( 1 ) 各种输电或配电用变压器，都是按标准在标称频率运行条件 下，确定额定容量。若频率偏移标称值，变压器的铁芯损耗、漏磁通 和噪声所受的影响与相反方向的电压偏离导致的影响十分相似。虽然 铁芯和磁滞损失、杂散负荷损失和介质损耗在运行频率下降时会有所 下降，但对强迫冷却的变压器，其冷却介质的流量将会近似按频率变 化的比例降低。在频率对标称值负偏离超出5 时，需要顾及温升对变 压器的出力的限制。 ( 2 ) 并联用电力电容器能持续在标称频率和1 1 0 标称电压下提 供最大的无功功率。当运行频率下降时，电容器的无功出力和额定电 流将直接按频率的降低成比例的下降。此时电压对并联电容器的支撑 作用也因频率下降引起的容抗增大而削弱，进一步使输出电流减少。 ( 3 ) 若运行频率下降，则线路感抗随之下降的同时增大电容的容 抗，导致线路补偿度的增加，从而造成串联电容器装置两端的电压差 增大，削弱了串联电容器的电压余度。 ( 4 ) 输电稳定稳定极限受到不少因素的制约，通常是依据具体系 统的结构及要求计及的扰动形式，在计算机上计算分析确定的。这些 分析研究一般并不严格考虑系统运行频率偏移标称值的影响。实际上 影响面却是相当广泛的，不仅与频率下降时减小电抗、增加电容和储 藏在转动惯量中的能量有关，而且也和频率相关，即和反映转矩变化 的发电机组间角度速率的积分相关。拓展惯用的暂态稳定计算分析法， 去计及运行频率的所有影响来定量地确定频率对稳定极限的影响，工 第二章电力系统频率特性分析及偏差影响 作过于繁复，也无此必要。但某些定性的确定其影响的方法则是有用 的。 2 4 3 频率下降对互联电力系统的影响 尽管原因多种多样，电力系统间联络线的过负荷最终总是由联络 线两端频率的差异引起的。差异越大，持续时间越长，过负荷越严重。 这表明此时互联系统的运行己超出了常规频率调节的控制能力，需要 采取措施来消除过负荷；措施不力或反应迟缓，均可能导致联络线跳 闸。若不及时消除过负荷，势将导致其他联络线发生连锁反应而相继 跳闸；若无其他联络线，则互联系统的解列，将导致一端系统频率下 降，另一端系统频率上升。当联络线解列前瞬间也输送大量无功功率， 或线路的解列是由于该线路故障引起的跳闸，则问题更趋复杂和严重。 被解列一端若为大负荷、小电源的受端，处理不当甚至会酿成频率或 电压崩溃，或低频率、低电压互为因果，迫使系统全停。互联系统中 电源机组多，容量大，有条件从运行经济性的角度，采用一部分大机 组单元容量占系统容量的2 0 3 0 为宜。超临界汽轮机叶片的异常振 动及材料耐疲劳、耐高压高温、耐腐蚀的余度相对减少。抗运行频率 偏离的能力相对降低，在互联系统作为一个整体运行时，频率偏离一 般都很小，这些大机组可充分发挥其经济效益，不会成为系统的累赘。 可一旦联络线由于某种原因发生解列，在被解列的局部系统中，往往 电源少，电压偏离大，首先严重威胁大机组的运行安全。大机组单元 容量在总容量中占比例大，易酿成所谓“大机组小电网”的运行困境。 频率和电压的大偏离，首先促使大机组停运，紧接着就会迫使该局部 系统全停 2 0 1 。 2 4 4 频率下降对负荷的影响 ( 1 ) 电力系统频率变化会引起异步电动机转速变化，这会使得电 动机所驱动的加工工业产品的机械转速发生变化。有些产品对加工机 械的转速要求很高，转速不稳定会影响产品质量，甚至会出现次品和 废品。同时电力系统频率降低将使电动机输出功率降低，导致所带动 机械出力降低，影响用户设备的正常运行。 ( 2 ) 电力系统频率波动会影响某些测量和控制用的电子设备的准 确性和性能，频率过低时有些设备甚至无法工作。 ( 3 ) 电力系统频率波动将引起负荷功率变动。美国电科院的数据 第二章电力系统频率特性分析及偏差影响 表明：在6 0 h z 电力系统中，频率每变化0 1h z ，将引起0 阶1 的负 荷功率变动。我国在各地曾多次进行了系统频率特性试验，综合所得 结果为：在5 0 h z 的系统中，频率每变化0 1h z ，负荷功率变化 0 0 2 0 0 6 。 ( 4 ) 电力系统频率下降使异步电动机和变压器的励磁电流增加， 使异步电动机和变压器的无功消耗增加，从而使系统电压下降。 2 5 频率上升的影响 与低频率运行一样，电力系统的高频率运行是系统的一种异常状 态。由于低频率运行往往是和电源出力不足直接相关，一时难以用增 加出力的方法来补偿出力不足引起的低频率运行。而高功率则是可以 借调节手段或令发电机组退出运行的方式来减少多余的出力，使频率 恢复正常。因此，人们通常十分关注低频率运行对电力系统的危害， 对高频率运行危害性的讨论相对要少得多。事实上高频率运行的危害 同样很严重，表现为对设备机械强度的威胁，同时降抵运行的经济性。 ( 1 ) 系统中旋转或往复式运行的机械，超乎常规的高速运转将造 成毁坏性的伤害。 ( 2 ) 系统高频率运行，往往在超速电源机组附近导致工频过电压， 危及该地区电气设备的安全。通常超过标称频率1o 的高频率对系统 中设备的损害是十分严重的，必须加以防范。 ( 3 ) 大型火电机组汽轮机叶片允许的频率波动范围较小，也不应 长时间高频运行。 ( 4 ) 如果发电厂出线或联络线发生解列而导致电源机组失去大量 的负荷而超速旋转，将导致机组损坏、系统瓦解、电厂全停的重大恶 性事故。 ( 5 ) 电力系统高频率运行会对运行设备有一定的累积损伤；对生 产设备运转速度要求严格的用户来说，降低了产品的质量。 ( 6 ) 频率上升对经济性也会带来影响：第一，脱离原动机的最佳 运行频率导致效率下降；第二，电气设备铁芯的损耗近似正比于频率 的二次方，频率的上升必然导致电气设备损耗上升，使电气设备过热。 第二章电力系统频率特性分析及偏差影响 2 6 本章小结 本章讨论了电力系统的频率特性和频率偏差的影响。电力系统频 率偏移会对电力系统自身造成很大的危害，必须采取有效措施来消除 频率偏移。当电力系统频率变化时，用户所消耗的功率也将随着改变； 发生有功功率缺额的时，电力系统频率也发生下降。这是一个相互作 用的过程。通过减掉有功负荷来恢复频率正是低频减载装置工作的依 据。 第三章低频减载方案设计 第三章低频减载方案设计 3 1 低频减载方案的提出 3 1 1 基本要求 当电力系统在实际可能的各种运行情况下，因故发生突然的有功 功率缺额后，必须能及时切除相应容量的部分负荷，使保留运行的系 统部分能迅速恢复额定频率附近继续运行，不发生频率崩溃，也不使 事件后的频率长期悬浮于某一过高或过低数值。一个低频减载装置应 满足下列要求 2 1 】： ( 1 ) 在任何情况下的频率下降过程中，应保证系统低频值及所经 历的时间，能与运行中机组的自动低频保护和联合电网间联络线的低 频解列保护相配合；切负荷的动作要快，要在系统运行的危险情况出 现前抑制频率的下降。 ( 2 ) 应防止低频减载装置误动，应避免因发生短路故障以及失去 供电电源后的负荷反馈引起的误动，但不考虑在系统失步振荡时的动 作行为。 3 1 2 基本方案 本方案设5 个基本轮、3 个特殊轮、2 个加速轮和一个启动元件。 启动元件的目的是检测系统状态，该元件动作后才开放低频减载同时 开放出口继电器回路的正电源。5 个基本轮采用顺序动作的原则，即本 轮动作的前提是上一轮( 基本轮) 动作。3 个特殊轮独立动作，不受其 它轮的限制。2 个加速轮分别是加速2 轮和加速2 、3 轮。加速2 轮动 作时加速第l 轮和第2 轮的出口；加速2 、3 轮动作时加速第1 轮、第 2 轮和第3 轮的出口。为防止在某些功率缺额方式下，系统频率为防止 在某些功率缺额方式下，系统频率长期悬浮在某一频率值附近，需要 用特殊轮恢复频率。 在自动减载装置动作的过程中，可能出现这样的情况：第i 轮动作 后，系统频率稳定在低于恢复频率的低限，但又不足以使i + 1 轮动作。 为了使频率恢复到恢复频率的低限；l ，。j n ( 一般取4 7 h z ) 以上，可采用 第三章低频减载方案设计 带时限的特殊轮。特殊轮是在频率比较稳定时动作的。特殊轮断开功 率按以下两个极限条件来选择： 当最后第二轮即n m l 。轮动作后，系统频率不回升反而降到最后一 轮，即第n 轮动作频率- ，锄附近，但又不足使第n 轮动作时，则在特殊 轮动作断开其所接用户功率后，系统频率应恢复到妒m i n 以上，因此特 殊轮应断开的用户功率为 必( 瑚一