关于一次调频的说明

关于一次调频(PFR)的技术说明北京中水科水电科技开发有限公司中国水利水电科学研究院自动化所2011年10月关于一次调频(PFR)的技术说明1一次调频基本问题的回顾控制电力系统频率的措施有：一次调频、二次调频，高频切机、低频减载、低频自启动等，其中高频切机、低频减载、低频自启动属于电力系统频率异常时的控制措施。

电力系统的一次调频(primary frequency regulation，PFR)指利用系统固有的负荷频率特性，以及发电机组调节系统的作用，来阻止系统频率偏离标准的调节方式。

电力系统的一次调频包括电力系统负荷对频率的一次调节和发电机组的一次调频，对电力系统控制而言，频率的一次调节主要指由发电机组实现的一次调频。

电力系统的二次调频主要指根据系统频率的变化情况，通过改变发电机组调差特性曲线的位置来改变机组有功功率，弥补由于电力系统一次调频存在的频率偏差，将系统频率稳定在允许的范围内，实现频率的无差调节。

目前，电力系统的二次调频一般是通过AGC(Automatic Generation Control，自动发电控制)或调度指令实现的，系统负荷的增减基本上主要由调频机组或调频电厂承担。

高频切机指在频率升高到一定程度时，停下部分机组。

低频减载(under frequency load shedding，UFLS)指在频率降低到一定程度时，按事故限电序位表切除部分负荷。

我国电力系统的低频减载有两类：一类快速动作或带短延时动作，按频率分为若干级，其作用是为了防止频率严重下降，通常称为基本级；另一类带较长延时(10~30 s)动作，但动作频率较高，其作用是为了防止在基本级动作后频率仍停留在某一较低值而不能恢复，通常称恢复级或特殊级。

低频自启动指在频率降低到一定程度时，开出备用机组增加有功功率。

低频自启动机组一般为水轮发电机组，在频率降低时，以自同步方式快速并入电网带负荷，或者将处于调相状态的水轮发电机组迅速转入发电状态带负荷，作为恢复系统频率的措施。

随着机组容量的不断增加和市场经济、电力改革的进一步深化、电力行业条块分割局面的形成，我国已面临电力市场各主体为了局部经济利益，忽视电网的供电质量、忽视电网频率、忽视电网安全、忽视电力生产的客观规律、优先考虑局部利益，而置全局利益于不顾的形势，这就很容易导致电网事故。

鉴于此，电网调度管理部门将一次调频(PFR)问题提到一个重要高度，并规定了很高要求；特别是对水电机组调速系统的人工频率死区要求定为0.05Hz，如今各地有关电力部门已将一次调频作为并网机组的重要考核内容。

对于水电厂而言，一次调频系水轮机调速系统的基本功能，由控制机组的调速系统频率静态特性(调差特性)所固有的能力,随系统频率变化而自主进行开度/有功调整，进而控制系统频率变化，并使各台机组间合理分担负荷。

在机组发电运行过程中，当系统频率变化超过调速器设定的人工频率死区时，调速系统就要按设定的调差率改变接力器位移/导叶开度(或轮叶转角或喷针/折向器开度)，从而引起机组有功的变化，其特点是调整速度较快,但调整量随机组不同而不同, 值班调度员无法直接控制一次调频过程；其调节过程应与溜负荷、接力器抽动相区别。

机组一次调频性能的优劣直接影响到供电质量。

当调差率很小时，各机组间的有功分配将会变得不确定，故调差率不能选得太小。

此外，一次调频过程各机组间的负荷分配、效率等也不符合经济分配的原则。

事实上，一次调频是一个十分古老的概念，它产生于大量使用机械液压式调速器、电网容量较小、电力调度运行的自动化水平较为低下的年代，以后随着微机调速器的广泛使用与调度运行自动化水平的提高，这一概念曾一度被弱化，为人为提高机组调节的稳定性，实践中往往对微机调速器设置±0.05Hz～±0.5Hz 之间的人工转速死区，但不论采用何种类型的调速器，一次调频的功能是作为其基本功能一直具备的，只是作用强弱程度不同而已，有的调速器由于人工转速死区设置过大，在发电运行过程中始终没有机会发挥一次调频作用。

试验统计与理论分析已表明，对一次调频功能强弱起决定作用的因素依次主要是调差率(或永态转差系数或残留不均匀度)、转速死区、比例与积分增益(或暂态转差系数、缓冲时间常数)的大小等。

有必要回顾一下普遍使用机调年代的一次调频问题，机调是不设也无法设置人工死转速区的，但机调本身具有较大的转速死区，统计值为0.1%左右，即±0.025Hz的死区，不过对一次调频而言，在永态转差系数bp较小的情况下，这一数值已具有很强的一次调频能力，过去水电厂常常抱怨调速器质量有问题、接力器“抽动”，影响接力器与主机寿命；而电力调度部门不但不鼓励，反而埋怨电厂不按调度下达的有功定值要求发电；一些机调设备制造商也因此而背上不好的名声；原因之一就在于此，其实这是对机械液压式调速器莫大的冤枉。

而微机调速器的转速死区可以做到小于0.02%(±0.005Hz)，若不设人工死区，则接力器的稳定可能会遥不可及了，极有可能作往复运动，但由于可以灵活设置较大的人工死区，故可以很容易保证接力器不“抽动”，这也是微机调速器在我国被广泛欢迎并迅速普及的原因之一，过去因大部分微机调速器都设置了较大的人工死区，坦率地讲，大部分微机调速器实际运行中所表现出来的一次调频能力反而远远弱于机调，甚至有意躲开了一次调频。

这就浪费了电网中保证频率稳定的宝贵资源，若机组一次调频功能得不到很好的利用，单纯靠AGC难以进一步提高电网频率控制水平。

电网调度管理部门对水电机组调速系统的人工频率死区要求定为0.05Hz，而电网频率波动超过0.05Hz是很容易的事情，这样机组在发电运行过程中将会因网频波动，而反复在AGC基准定值的基础上频繁调节接力器开度/机组有功，这对保证电网频率稳定而言是有利的，而对机组来说却是不利的，它将加剧机组的磨损、甚至引起汽蚀、进入不稳定区或振动区等，这也是厂网之间利益矛盾的体现。

水电机组的一次调频功能对维持电网频率的稳定至关重要，特别是对于那些快速调节机组所占比重小的电网尤为关键。

从在电力系统中发生的一些事故中可以看出，一次调频功能投入且一次调频参数设置正确的机组在电网发生事故时能极大地抑制事故的扩大保证电力系统的稳定性，反之，若机组没有一次调频功能或一次调频功能切除或一次调频参数设置不当，当电网发生事故是不但不能抑制事故还有可能导致事故的扩大和系统的解裂。

鉴于水电机组与火电机组相比具有负荷调节速率高、调节幅度大、调整范围大等优点，可以在电网突发大负荷变化时提供更大、更持久的功率支援，一般不存在限幅的问题，因此水电机组更适合担负系统的一次调频任务。

从担任系统一次调频功能来说，水电机组具备以下优点：(1)水电机组一次调频功能易于实现。

对于火电机组，一次调频并不是简单地在数字式电调系统(DEH)中加入一次调频功能和调频函数曲线即可。

一次调频的实现，涉及到机组协调控制系统(CCS)和DEH系统，这两个系统都有各自的功率自动回路和一次调频回路。

由于CCS和DEH内部实现方式不同，CCS的一次调频回路只有在功率自动(汽机主控)投入后才有实际的作用，而DEH系统的一次调频回路、功率回路和调压回路可以分别单独投入，构成了多种不同的组合方式。

而对于水电机组，一次调频功能的实现，主要由水轮机调速器来完成。

实际上，对于水轮机调速器而言，一次调频是其基本功能，特别是对于机械液压式水轮机调速器，其主要功能就是频率调节。

只是到了大量使用微机调速器后，为了人为提高机组调节的稳定性，防止因系统频率变化而使调速器频繁动作，对调速器设置了较大的人工频率死区。

因此要恢复微机调速器的一次调频功能，只要按照一次调频管理规定的要求，准确设定调速器的人工频率死区和合适的控制调节参数即可。

(2)水电机组的一次调频的负荷调整范围大。

由于水电机组在偏离设计工况运行时也具有较高的运行效率，因此可以在较大的负荷范围进行一次调频。

火电机组则不同，受主汽压变化速率和变化幅度等因素的影响，限制了火电机组参与一次调频的负荷范围。

因此，需要对火电机组参与一次调频的最大调整负荷进行限幅，一般在±8%左右，而水电机组参与一次调频的负荷调整范围从理论上说可以不加以限制。

(3)水电机组参与一次调频的负荷调整速度较快。

火电机组参与一次调频时，如果负荷调整速度过快，对锅炉的燃烧、送风系统控制等有较大影响，特别是进行大幅度负荷调整时影响更大。

而水电机组的负荷调整速度远快于火电机组，因此水电机组参与一次调频时的负荷调整速度可以更快。

(4)水电机组参与一次调频负荷调整的方向可以不加以限制。

由于系统频率的变化是随机的，在较短时间内，频率变化的方向是随时变化的。

对于水电机组，除了可以大幅度、快速地进行负荷调整外，还可以随时改变负荷调整的方向，满足系统频率变化的要求。

同样地，受火电机组性能的限制，其一次调频的负荷调整方向不能在短时间内进行改变。

2 电网调度管理部门对一次调频规定的主要性能要求◆机组一次调频的人工死区(1)电液型汽轮机调节控制系统的火电机组一次调频的人工死区控制在±0.033 Hz(±2 r/min)内；(2)机械、液压调节控制系统的火电机组一次调频的人工死区控制在±0.10 Hz(±6 r/min)内；(3)水电机组一次调频的人工死区控制在±0.05 Hz内。

◆机组调速系统的速度变动率(或水电机组的永态转差率)(1)火电机组速度变动率一般为4%~5%；(2)水电机组的永态转差率不大于4%。

◆一次调频的最大调整负荷限幅(1)水电机组一次调频的负荷变化限制幅度为额定负荷的±10%；(2)额定负荷500 MW及以上的火电机组，一次调频的负荷调整限幅为机组额定负荷的±6%；(3)额定负荷210~490 MW的火电机组，一次调频的负荷调整限幅为机组额定负荷的±8%；(4)额定负荷100~200 MW的火电机组，一次调频的负荷调整限幅为机组额定负荷的±10%；(5)额定负荷100 MW以下的火电机组，一次调频的负荷调整限幅为机组额定负荷的±8%。

◆调速系统的迟缓率(或水电调速器的转速死区)(1)电液调节控制系统的火电机组，其调速系统的迟缓率小于0.06%；(2)机械、液压调节控制系统的火电机组，其调速系统的迟缓率小于0.1%；(3)水电机组调速器的转速死区小于0.04%。

◆响应行为机组一次调频的响应行为包括一次调频的负荷响应滞后时间、一次调频的最大负荷调整幅度。

一次调频的负荷响应滞后时间指运行机组从电网频率越过该机组一次调频的死区开始，到该机组的负荷开始变化所需的时间。

一次调频的最大负荷调整幅度指运行机组从电网频率越过该机组一次调频的死区开始计时的60 s以内或者到电网频率恢复到该机组的一次调频的死区范围以内为止，该机组的有功功率相应进行调整(频率越上升时减少有功、频率越下降时增加有功)的幅度。