电力系统频率及其控制技术研究

技术与市场　２０１５年第２２卷第５期　技术研发　电力系统频率及其控制技术研究　周奇璐　，钱俊良　，吴　繁　，朱　『＾］　（１．华北水利水电大学，河南郑州４５００００；２．乌弄龙里底水电工程建设管理局，云南迪庆６７４６０６）　摘要：世界电力系统多次发生大面积停电事故，电力系统稳定性的研究愈加重要。在极端严重和难以预料的故障下，　频率控制技术是保证系统安全稳定运行的必要措施，是防止大面积停电的重要组成部分。基于电力系统频率控制的基　本概念和相关问题，研究分析了电力系统频率控制研究领域的成果以及经验教ｉ）ｌｌ，为后续研究提供参考。　关键词：电力系统；频率异常；控制技术　ｄｏｉ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００６—８５５４．２０１５．０５．０４４　０引言　世界电力系统多次发生大面积停电事故，往往是由多种偶　然因素所致，尽管发生概率很低，但后果却异常严重。事故引　起的紧急状态通常为过负荷、失步振荡、电压和频率严重偏离　允许范围等。功率失衡导致频率异常是较常见的，功率严重不　足时频率大幅降低，可能导致系统频率崩溃…。对此，我国强　调建立防止大面积停电的第三道防线。电力系统频率控制技　术的研究是十分必要的，对我国电力实业发展具有重要意义。　１　电力系统频率的基本概念　电力系统的频率由发电机的转速决定，相联的系统只有一　个频率。电力系统频率反映了系统中有功功率的供需平衡情　况，电力系统正常运行时有功功率是平衡的，频率也处于正常　值，如我国电网工频为５０　Ｈｚ。发电出力和用电负荷的变化都　会引起频率偏移，因此要根据频率偏差随时进行调整　。　电力系统的频率静态特性取决于负荷的功率频率特性和　发电机组的功率频率特性。负荷的频率静态特性指在没有旋　转备用容量的电力系统中，当电源与负荷推动平衡时，频率立　即发生变化的特性。发电机组的频率静态特性是当系统频率　变化时，高速系统将自动改变汽轮机的进汽量或水轮机的进水　量，以增减发电机组的出力　，即由频率变化而引起发电机组　出力变化的关系。　２频率控制研究现状　２．１　频率异常的原因　由电力系统事故所引起的频率大幅度变化的动态过程称　为频率异常　。引起电力系统频率异常的根本原因是系统中　出现了功率失衡，而导致功率突变的直接原因是：联络线出现　故障、开关跳闸；电力系统内有大容量发电机组突然投入或切　除、大的负荷突然投入或解除。　２．２异常消除措施　针对上述原因，可以采用相应措施和控制手段来减少频率　事故的出现：　１）合理设计电力网结构。如采用双回路联络线减少线路　故障导致电力系统解列的可能性；用电负荷和供电电源应尽可　能就地平衡。　２）适当地控制系统传输功率。为了使联络线故障切除后　不引起两侧系统频率急剧下降，应该预先将联络线交换功率限　制在适当的限额内。　３）系统应具备足够的备用容量。在电力系统中为防止系　统因大量功率缺额而造成系统频率下降，一般需要安排一定数　量的发电机作为旋转备用（热备用）。当频率下降时可以立即　使旋转备用机组提供输出功率。　４）在电力系统内装设控制频率异常的自动控制装置。能　够自动投切发电机组和负荷　。　５）电力系统频率控制是一种维持电网频率稳定的技术。　目前已有多种频率控制法，如滑模控制法　、鲁棒控制法、人工　智能控制法。其中人工智能的发展是目前快速发展的研究方向。　３大机组频率控制技术　随着电力系统的发展，大容量机组投入运行，系统和机组　问的一些运行性能需要协调。国家标准规定３００　ＭＷ及以上　机组需要装设低频保护　。当系统出现严重功率短缺时，为避　免连锁反应，必须采取措施使频率下降的幅度和时间不触发发　电机低频保护动作　。由于启动备用容量需一段时间，在系统　严重功率短缺时防止频率下降的主要措施是切负荷。分以下　两类。　１）故障连锁切负荷。当电力系统短缺功率超过一定范围　（４０％～４５％以上）时，仅靠低频减负荷较难保证系统频率在允　许范围内下降，需补充采用连锁切负荷方式。应特别注意的是　有功功率短缺且无功功率严重不足时，系统电压可能严重降低　而频率并不显著降低，对这种情况必须采用连锁切负荷或低电　压减负荷以保证电压恢复。　２）低频减负荷。所有电力系统及各个可独立运行的电网　必须设置足够的、分散的、按频率降低起动的低频减负荷装置。　低频减负荷对任何原因引起的频率降低均起作用，这是防止频　率崩溃的最后一道防线。切除负荷的总容量按该电网实际可　能出现的功率缺额考虑，一般不宜低于４０％。系统切除负荷按　重要性编排，首先应切除较次要负荷。　４结语　频率偏移严重影响电力系统运行的可靠性，对电力用户经　济性与安全性产生危害。频偏严重时，可能导致电力系统瓦　解，造成重大供电事故，这种后果已为国内外多次故障所证实。　故频率稳定是系统安全、经济运行的重要指标。因此，电力系　统频率控制技术的研究是十分必要的，对我国电力实业发展具　有重要意义。　（下转第９７页）　技术与市场　技术研发　２０１５年第２２卷第５期　表２短路脱扣电流值及适用范围　串联时，熔断器的弧前允通能量１２　ｔ要大于ＭＣＢ的允通能量　脱扣形式　脱扣电流值　适用范围　Ｉ２　ｔ。　后备保护是在主保护电器拒动时，电源侧保护电器动作，　Ｂ　（４～６）Ｉｎ　人身安全保护　住户配电系统，家用电器的保护和　用以切除故障的保护。　２．６温度补偿　Ｃ　（７ＭＣＢ的额定电流是在环境温度３０℃条件下的数值，当不　～１２）Ｉｎ　流的照明线路和电动机回路　保护配电线路以及具有较高接通电　在３０℃条件下使用时，需考虑不同温度下的额定电流修正系　数。　Ｄ　（１２２．７安装排列数量　～２４）Ｉｎ　变压器保护具有很高冲击电流的设备，如　、电磁阀等　随着单排ＭＣＢ安装单元数和密集程度的增加，额定电流　在不同的短路持续时间中的短路电流可以用下面公式来　也随之降低。　计算：　２．８海拔高度　海拔超过２　０００　ｍ时，可参照ＧＢ／Ｔ　２０６４５《特殊环境条件　Ｉ－　高原用低压电器技术要求》确定不同海拔高度下电气参数或修　其中Ｊ一允许的最大短路电流（有效值）；　正系数。　常数（１２２）；　３结语　Ｊｓ一导体额定横截面积（ｍｍ　）；　微型断路器在地铁车辆中是非常重要的保护元器件之一，　￡一短路的持续电流（Ｓ），最大５　Ｓ。　对系统的供电有着至关重要的作用。断路器的故障将直接影　公式也说明从电缆安全的角度，断路器必须在５　ｓ内切断　响到设备的供电，并且影响到整个系统的功能和正常工作。只　短路电流，，否则电缆可能受到永久性的破坏。　有选择合适型号的断路器，才能保证车辆安全可靠运行。　２．５与其他保护电器的配合　参考文献：　在有些保护电路中，存在两个ＭＣＢ串联、熔断器和ＭＣＢ　［１］　ＥＮ　５０２６４《铁路应用一有特殊防火性能的铁路车辆电力　串联等形式的上下级保护电路。按照保护功能分类，分为主保　及控制电缆》［ｓ］．　护和后备保护。　［２］　ＥＮ　５０３４３《铁路应用机车车辆布线规则》［ｓ］．　主保护是在线路发生故障时，只允许靠近故障点的保护电　［３］ＤＩＮ　ＥＮ　５０３５５《铁路设施一有特殊防火性能的轨道机车　器动作以隔离故障回路，而上一级保护电器不动作，以缩小断　车辆用电缆与导线一薄绝缘壁和标准绝缘壁》［ｓ］．　电范围，满足系统稳定性和保持其它系统供电连续性的要求。　［４］　ＩＥＣ　６００７７—３《轨道交通机车车辆电气设备．第３部分：　实际应用中，两个串联的上下级同类断路器通过同样负载电　电工器件直流断路器规则》［ｓ］．　流，上级断路器Ｉｎ为下级断路器Ｉｎ的１．６倍。熔断器与ＭＣＩ３　［５］ＩＥＣ　６０９４７《低压开关设备和控制设备》［ｓ］．　（上接第９４页）　参考文献：　４结语　［１］　解应龙．焊接工艺及设备［ｚ］．哈尔滨：机械工业哈尔滨　随着电力机车市场的拓展，客户需求和运行环境差异越来　焊接技术培训中心，２０１３．　越大。在追求个性化的同时形成标准化是发展的要求，因此对　［２］　付荣柏．焊接变形的控制与矫正［Ｍ］．北京：机械工业出　机车边梁组焊工艺在装配、焊接、矫正三个方面的梳理、提炼，　版社，２００６．　如工装的通用化、自动焊的应用、火焰矫正的经验和技巧的总　［３］　ＥＮ１５０８５，欧洲轨道车辆及其部件焊接的系列标准第三　结，是标准化的前提，也是创新的基础，为电力机车多样性的发　部分：设计要求［ｓ］．２００７．　展做好储备。　（上接第９５页）　志，２０１２（４）：１３６．　参考文献：　［６】孟样萍，薛昌飞，张化光．基于Ａｃｋｅｒｍａｎｎ公式的分散滑　［１］　袁季修．防止电力系统频率崩溃的紧急控制［Ｊ］．电力自　模负荷频率控制［Ｊ］．东北大学学报：自然科学版，２０００，　动化设备，２００２，２２（４）：ｌ一４．　２１（２）：１２８—１３１．　［２］　周双喜，朱凌志，郭锡玖，等．电力系统电压稳定性及其控　［７］　ＧＢ　１４２８５０９３．继电保护和安全自动装置技术规程［ｓ］．　制［Ｍ］．北京：中国电力出版社，２００４．　［８］　赵强，王丽敏，刘肇旭，等．全国电网互联系统频率特性及　［３］　袁季修，陈容德，白亚民．对大型汽轮发电机频率异常运　低频减载方案，２００９，３３（８）：３５—４０．　行能力的要求［Ｊ］．中国电力，２００１，３４（１２）：３２—３６．　作者简介：　［４］　蔡郡．电力系统频率［Ｍ］．北京：中国电力出版社，１９９８．　周奇璐（１９８９一），女。河南南阳人，华北水利水电大学硕士　［５］　武敏瑞．电力系统频率异常的控制［Ｒ］．科技与企业杂　研究生，研究方向：电力系统规划与安全运行。　９７