【技术文章】电力系统频率控制的基本原理和概念

通过对电力系统各种负荷分量变化规律的分析，有利于采取不同的措施，来控制原动机功率和发电机电磁功率之间的不平衡，达到控制系统频率的目的。一、 频率的一次调节

电力系统频率的一次调节是指利用系统固有的负荷频率特性，以及发电机的调速器的作用，来阻止系统频率偏离标准的调节方式。

（一） 频率一次调节的基本原理

（1） 电力系统负荷的频率一次调节作用

当电力系统中原动机功率或负荷功率发生变化时，必然引起电力系统频率的变化，此时，存储在系统负荷的电磁场和旋转质量（如电动机、照明镇流器等）中的能量会发生变化，以阻止系统频率的变化，即当系统频率下降时，系统负荷会减少；当系统频率上升时，系统负荷会增加。这称为系统负荷的惯性作用，它用负荷的频率调节效应系数（又称系统负荷阻尼常数）D来表示：

系统负荷阻尼常数D常用标么值来表示，其典型值为1~2。D=2意味着1%的频率变化会引起系统负荷2%的变化。

（2）发电机的频率一次调节作用

当电力系统频率发生变化时，系统中所有的发电机的转速即发生变化，如转速的变化超出发电机组规定的不灵敏区，该发电机的调速器就会动作，改变其原动机的阀门位置，调整原动机的功率，以求改善原动机功率或负荷功率的不平衡状况，即当系统频率下降时，发电机的蒸汽阀门或进水阀门的开度就会增大，增加原动机的功率；当系统频率上升时，发电机的蒸汽阀门或进水阀门的开度就会减小，减少原动机的功率。发电机调速器的这种特性称为机组的调差特性，它用调差率R来表示：

式中：N_o表示无载静态转速（主阀在无载位置）

N表示满载静态转速（主阀全开）

N_R表示额定转速

调差率R的实际涵义是，如R=5%，则系统频率变化5%，将引起主阀位置变化100%。

（3）具有频率一次调节作用的电力系统模型

电力系统综合的一次调节特性是系统内所有发电机和负荷的一次调节特性之总和，具有一次调节作用的电力系统模型如图1所示：

图1  具有一次调节作用的电力系统传递函数方框图

从图1可以看出，由于具有一次调节作用的电力系统中存在发电机的转速（即系统频率）的负反馈调整环节，将起到稳定系统频率的作用。

（二）频率一次调节的特点

（1）一次调节对系统频率变化的响应快，根据IEEE的统计，电力系统综合的一次调节特性时间常数一般在10秒左右。

（1） 由于发电机的一次调节仅作用于原动机的阀门位置，而未作用于火力发电机组的燃烧系统。当阀门开度增大时，是锅炉中的蓄热暂时改变了原动机的功率，由于燃烧系统中的化学能量没有发生变化，随着蓄热量的减少，原动机的功率又会回到原来的水平。因而，火力发电机组一次调节的作用时间是短暂的。不同类型的火力发电机组，由于蓄热量的不同，一次调节的作用时间为0.5到2分钟不等。

（2） 发电机的一次调节采用的调整方法是有差特性法，其优点是所有机组的调整只与一个参变量有关（即与系统频率有关），机组之间互相影响小。但是，它不能实现对系统频率的无差调整。

（三） 频率一次调节在频率控制中的作用

根据电力系统频率一次调节的特点可知，一次调节在频率控制中的作用是：（1） 自动平衡第一种负荷分量，即那些快速的、幅值较小的负荷随机波动。（2） 对异常情况下的负荷突变，起缓冲作用。

图2显示了北美西部互联电力系统在一台1040Mw发电机跳闸时，在一次调节的作用下，系统频率变化的情况。

（四） 频率一次调节与其它频率调节方式的关系

频率一次调节是控制系统频率的一种重要方式，但由于它的作用衰减性和调整的有差性，不能单独依靠一次调节来控制系统频率。要实现频率的无差调整，必须依靠频率的二次调节。

图2 北美西部互联电力系统1040Mw发电机跳闸时频率变化曲线

二、 频率的二次调节（AGC）

（一） 电力系统频率二次调节的基本概念

由于发电机组一次调节实行的是频率有差调节，因此，早期的频率二次调节，是通过控制调速系统的同步电机，改变发电机组的调差特性曲线的位置，实现频率的无差调整。但未实现对火力发电机组的燃烧系统的控制，为使原动机的功率与负荷功率保持平衡，需要依靠人工调整原动机功率的基准值，达到改变原动机功率的目的。随着科学技术的进步，火力发电机组普遍采用了协调控制系统，由自动控制来代替人工进行此类操作。在现代化的电力系统中，各控制区则采用集中的计算机控制。这就是电力系统频率的二次调节，即自动发电控制（AGC）。具有频率二次调节作用的电力系统的模型如图3所示

图3 频率二次调节模型框图

（二） 频率二次调节的特点

（1） 频率的二次调节(不论是分散的，还是集中的调整方式)，采用的调整方式对系统频率是无差的。

（2） 在协调控制的火力发电机组中，由于受能量转换过程的时间限制，频率二次调节对系统负荷变化的响应比一次调节慢得多，它的响应时间一般需要1~2分钟。

（3） 频率的二次调节对机组功率往往采用比例分配，使发电机组偏离经济运行点。

（三） 频率二次调节在频率控制中的作用

（1） 根据电力系统频率二次调节的这些特点可知，由于二次调节的响应时间较慢，因而不能调整那些快速的负荷随机波动，但它能有效地调整分钟级及更长周期的负荷波动。

（2） 频率二次调节的另一主要作用是实现频率的无差调整。

（四） 频率二次调节与其它频率调节方式的关系

1. 由于响应时间的不同，频率二次调节不能代替频率一次调节的作用；而频率二次调节的作用开始发挥的时间，与频率一次调节的作用开始逐步失去的时间基本相当，因此，两者在时间上配合好，对系统发生较大扰动时快速恢复系统频率相当重要（见图2-7）。

2. 频率二次调节带来的使发电机组偏离经济运行点的问题，需由频率的三次调节（负荷经济分配）来解决；同时，集中的计算机控制也为频率的三次调节提供了有效的闭环控制手段。

图2-7发电机跳闸时，频率一、二次调节作用的发挥情况

三、 频率的三次调节（负荷经济分配）

（一） 电力系统频率三次调节的基本概念

电力系统频率三次调节的任务是经济、高效地实施功率和负荷的平衡。频率三次调节要解决的问题是：

1. 以最低的开、停机成本（费用）安排机组组合，以适应日负荷的大幅度变化。

2. 在机组之间经济地分配负荷，使得发电成本（费用）最低。在地域广阔的电力系统中，需考虑发电成本（发电费用）和网损（输电费用）之和最低。

3. 为预防电力系统故障时对负荷的影响，在机组之间合理地分配备用容量。

4. 在互联电力系统中，通过调整控制区之间的交换功率，在控制区之间经济地分配负荷。

（二） 频率三次调节的特点

1. 频率三次调节与频率一、二次调节不同，不仅要对实际负荷的变化作出反应，更主要的是要根据预计的负荷变化，对发电功率作出安排。

2. 频率三次调节不仅要解决功率和负荷的平衡问题，还要考虑成本或费用的问题，需控制的参变量更多，需要的数据更多，算法也更复杂，因此其执行周期不可能很短。

（三） 频率三次调节在频率控制中的作用

频率三次调节主要是针对一天中变化缓慢的持续变动负荷安排发电计划（即调峰）；以及在负荷或发电功率偏离经济运行点时，对负荷重新进行经济分配。其在频率控制中的作用主要是提高控制的经济性。但是，发电计划的优劣对频率二次调节的品质有重大的影响，如果发电计划与实际负荷的偏差越大，则二次调节所需的调节容量越大，承担的压力越重。因此，应尽可能提高三次调节的精确度。

四、 发电机组的类型及其在频率控制中的作用

（一） 影响发电机组参与AGC运行的因素

自动发电控制的执行依赖于发电机组对其控制指令的响应，而发电机组的响应特性与许多因素有关，如：

1. 发电机组的类型。如：蒸汽发电机组、燃汽轮机、核电机组、水电机组。

2. 发电机组类型的细分。如：汽包炉还是直流炉的蒸汽发电机组、沸水堆还是压水堆的核电机组、单循环还是联合循环的燃汽轮机、低水头还是高水头的水电机组。

3. 发电机组的控制类型。如：汽机跟随、锅炉跟随、协调控制；再如：滑压控制、定压控制。

4. 发电机组的运行点。如：阀门的位置、磨煤机的启停等。

（二） 各类发电机组的响应特性

1. 燃煤火力发电机组

大多数汽包炉的蒸汽发电机组采用汽机跟随或锅炉跟随的控制方式，锅炉跟随控制方式的这类发电机组一般能30%的变化范围内，以每分钟3%的速率响应AGC指令。

直流炉的蒸汽发电机组一般都采用协调控制方式，它能协调控制燃料、汽温、汽压、阀门位置的变化，以免对机组部件产生不希望有的应力。这类发电机组能在10分钟内改变20%的发电功率。

2. 核电机组

沸水堆核电机组在它们可调的范围内，能以每分钟3%的速率响应AGC指令；而较大范围地改变发电功率则需通过调整反应堆核内的控制棒来实现。

压水堆核电机组调整发电功率需调整反应堆核内的控制棒，而较大范围地改变发电功率则需通过改变初循环中硼酸浓度来实现。

在一些核电比例较高的电力系统中（如法国），核电机组也参与AGC运行，但由于不论发电功率怎么变化，核燃料的使用期限是不变的。因此，从经济的角度讲，核电机组应保持满功率发电。

3. 燃气轮机

单循环的燃气轮机具有较高的响应速率，根据IEEE的统计资料，单循环燃汽轮机最大瞬间响应平均为容量的52%，其后续响应速率平均为每秒0.8%，但由于其发电成本较高，一般用来带尖峰负荷，或用作紧急事故备用，较少参与AGC运行。

联合循环燃汽轮机的发电成本低于单循环机组，它排出的气体用于产生蒸汽来驱动汽轮机，联合循环燃汽轮机的响应速率低于单循环机组，常参与AGC运行。

4. 水电机组

水电机组的发电功率变化范围大，响应速率高，根据IEEE的统计资料，绝大部分的水电机组的响应速率在每秒1~2%之间，但为减小长水管中水锤的损害，高水头的水电机组应适当降低响应速率。

（三） 各类发电机组在频率控制中的作用

根据对各类发电机组响应特性的分析，在不考虑经济因素的情况下，可以得出结论：

1. 水电机组和燃汽轮机的发电功率变化范围大，响应速率高，且易于改变调节方向，宜参与对变化周期在10秒到数分钟之间的负荷分量的调节。

2. 蒸汽发电机组和核电机组的响应速率低，且不易改变调节方向，宜参与跟踪变化缓慢的持续变动负荷。