[電力系統]頻率崩潰

頻率崩潰是指當負載有功功率不斷增加，電能供給不平衡，發電機有功功率明顯不足，導致電能不斷下降，系統的頻率不斷下降，此時負載將大量吸收無功功率，導致電源無功功率不足，電壓也持續下降，最終造成電網崩潰。電力系統運行頻率等於或低於臨界頻率時，如擾動使系統頻率下降，將迫使發電機出力減少，從而使系統頻率進一步下降，有功不平衡加劇，形成惡性循環，導致頻率不斷下降最終到零。

基本介紹

• 中文名：[電力系統]頻率崩潰
• 外文名：[power system] frequency collapse
• 類型：臨界頻率
• 領域：電力系統
• 屬性：概念定義
• 學科：電力工程

簡介

世界範圍內電力系統多次大面積停電的教訓，表明那種認為電力系統穩定水平足夠高就不會發生大面積停電的說法是不確切的。發生大面積停電往往是由多種偶然因素所致，儘管這種故障發生的機率很低，但後果卻異常嚴重。我國早就強調建立防止大面積停電的第三道防線，美國西部系統協調委員會WSCC提出建立針對極端嚴重和難以預料故障的Safety Nets，魁北克系統建立反極端故障計畫等。

針對某種特定故障進行分析和採取措施，因為事先很難確定各種偶然因素的組合情況。但可根據故障(不論原因如何)引起的危急狀態採取相應措施。這種危急狀態通常有失步振盪、過負荷、電壓和頻率嚴重偏離允許範圍等。其中事故引起功率不平衡導致頻率異常是較常見的，特別是功率嚴重不足時頻率嚴重降低，可能導致系統頻率崩潰。

電力系統在極端嚴重和難以預料的故障下防止頻率崩潰，是保證安全穩定運行極端重要的措施，是防止大面積停電的最後一道防線的重要組成部分。

系統頻率異常的限制條件

系統正常運行時的允許頻率偏差取決於某些對頻率質量要求特別高的用戶，一般為0.1～0.2Hz。汽輪發電機組的長期運行允許頻率範圍為48.5～50.5Hz。系統正常負荷波動引起的頻率偏差一般可由發電機功率調節系統補償。但是在系統事故功率短缺時，就難免要突破上述範圍。因為發電機的調速系統增長功率速度不可能立即彌補這些功率缺額；立即切除相應負荷保持頻率不變，將不能充分發揮旋轉備用的效用而致使較多負荷停電。

系統事故時的頻率偏差限制條件取決於大型汽輪發電機組和核電機組，限制因素主要是汽輪機葉片諧振和輔機出力。汽輪機葉片在頻率偏差較大時運行，可能承受不可恢復的損傷，在該頻率運行時整個壽命是有限的。汽輪機在每次系統故障時頻率降低的允許時間，應根據頻率降低程度、故障發生機率及對汽輪機壽命可能的損耗程度合理確定。發電廠輔機的決定因素是核電廠的冷卻介質泵。

考慮到使系統頻率嚴重降低的故障機率是較小的，汽輪機頻率異常每次最長允許時間通常可按葉片損傷一定的百分數確定。這個百分數國際上尚無明確規定，如美國西部系統在1996 年大停電後新頒布的《WSCC 統一的頻率偏離時甩負荷和恢復設計》規定以汽輪機壽命損耗5%準則作為低頻減負荷的整定依據，即低頻減負荷應保證電力系統頻率偏離額定的時間不大於累計允許時間的5%。每次允許時間約為累計允許時間的1.67%～4.17%，其中機率低的頻率降低情況允許值較大，一般低於5% ，應認為是可行的。

所以，系統故障時頻率降低的限制條件主要是發電機每次允許頻率降低的時間，以及核電廠冷卻介質泵的運行性能。

防止系統頻率崩潰的措施

大型發電機組是電力系統最貴重的設備，必須保證它的安全。國家標準規定300MW及以上機組需要裝設低頻保護。當系統故障出現嚴重功率短缺時，必須採取措施使頻率下降的幅度和時間不致使發電機低頻保護動作，避免連鎖反應。當然，發電機組也應具備一定的允許低頻運行能力。即限制頻率降低措施的性能必須與發電機低頻保護特性相協調。當前國家電力體制改革的重點之一是“廠網分離”，即電廠和電網分屬不同單位管理，加強廠網之間關於頻率特性的協調更為重要。否則，可能出現連鎖反應，導致頻率崩潰。協調的合理準則就是每次故障頻率降低的允許運行時間。

由於起動系統備用容量需要一定時間，在系統嚴重功率短缺時防止頻率下降的主要措施是切負荷。切負荷分以下兩類：

a. 故障連鎖切負荷。當電力系統或地區短缺功率超過一定範圍(例如40%～45%以上)時，僅靠低頻減負荷較難保證系統頻率下降在允許範圍內，而需補充採用連鎖切負荷方式。切負荷數量和地點可由離線計算分析確定；也可線上預決策，即線上計算分析，每隔一定時間(例如幾分鐘) 更新切負荷整定值。應注意切負荷後的無功功率平衡，避免大量切負荷後的電壓波動。還需特別注意的是有功功率短缺且無功功率嚴重不足時，地區電壓可能嚴重降低而頻率並不顯著降低，低頻減負荷不起作用，結果導致電壓崩潰。對這種情況必須採用連鎖切負荷或低電壓減負荷以保證電壓恢復。

b. 低頻減負荷。所有電力系統及各個可獨立運行的電網必須設定足夠的、分散的、按頻率降低起動的低頻減負荷裝置。低頻減負荷對任何原因引起的頻率降低均起作用。這是防止頻率崩潰的最後一道防線，不論是否有連鎖切負荷等緊急控制，低頻減負荷都應妥善設定。切除負荷的總容量按該電網實際可能出現的功率缺額考慮，一般不宜低於40 %。裝置宜採用簡單、分散型式以保證儘量高的可靠性。系統切除負荷按重要性排隊，首先應切除較次要負荷。為此，需要在電網規劃設計時，統籌安排，儘量給按重要性不同分別切除負荷創造條件。系統中如有抽水蓄能電站，切負荷時應首選處於抽水狀態的蓄能機組，但計算切除負荷總容量時不應計入蓄能機組，因為它不一定處於抽水狀態。在實際系統中，要將負荷在高壓側按重要性分開供電是不容易的，特別是切除負荷容量較大的情況。因此，對個別極重要的小容量負荷，應設定自己的緊急備用電源，而由高壓網路保證小容量絕對不間斷供電是不合理的。

低頻減負荷的整定與發電機組頻率特性的協調

低頻減負荷系統的整定在電力行業標準中已有較詳細的規定，多年實踐結果證明這些規定是基本可行的，有效的。在低頻減負荷條件下，電力系統頻率的動態特性及其與發電機組允許頻率降低特性相協調，以便保證不致發生連鎖反應，導致頻率崩潰的問題。

通常的系統故障仿真計算可以求得系統頻率動態特性。但要模擬各種可能的無法預見的嚴重故障是不方便的。為了簡化，可採用下述系統模型及計算方法。

a. 系統模型可採用單機模型，因為整個系統的頻率是基本一致的。在故障過程中，只要系統不失步，各節點之間的頻率可能稍有不同，但與平均值差異僅為0.2Hz 左右。各節點頻率除總體變化外，也還有小幅波動，波動幅值也約為此數量級。這種頻率波動是隨機的，與很多因素有關，很難精確考慮。即使採用多機模型，每次計算結果也只對應某種特定情況，一般很難說明問題。對待此類問題，通常可適當加大低頻減負荷的頻率級差，或者允許這種波動帶來的減負荷誤差，因為一般不會超過一級。採用單機模型則可以大大簡化計算，並可大體表明系統的平均情況，因而是可行的。電力行業標準對於一般計算即推薦採用此種模型。

b. 計算時的功率以故障後仍在系統中運行的發電機總容量為基準，慣性時間常數一般為6～8s。不考慮系統中發電機的功率調節效果，近似認為汽輪發電機組已基本帶滿負荷，水輪發電機組功率還來不及回響。這可能獲得較嚴重的頻率偏移。

總結

電力系統在極端嚴重故障情況下造成大量功率短缺，可能使系統頻率降低的幅度和時間超出汽輪發電機組的允許值，迫使發電機退出運行，將使頻率進一步下降形成連鎖反應，導致系統頻率崩潰，造成大面積停電。這種後果已為國內外多次故障所證實。防止系統頻率嚴重下降的措施可用故障連鎖(預測) 切負荷和低頻減負荷。低頻減負荷應對任何故障引起的頻率降低發揮作用，是防止系統頻率崩潰的最後一道防線，必須配備足夠容量和恰當整定，以保證系統頻率降低的幅值和時間在一定範圍內。另一方面，要求汽輪發電機組具有必要的低頻運行能力，即頻率下降至某一幅值時，允許維持運行一特定時間。低頻減負荷的整定應保證在實際可能的最嚴重故障條件下，使系統頻率下降特性與機組的允許特性協調，避免出現連鎖反應。