摘要：发电机的一次调频功能是大功率故障扰动下维护电网频率稳定、正常负荷波动下防止电网频率大幅波动的重要手段。本文探讨了并网发电机组的一次调频问题。
关键词：发电机组；电力系统频率；一次调频
发电机组一次调频功能是汽轮发电机组固有的功能，主要是通过调节DEH系统的进汽调节门，利用锅炉蓄热，在电网出现异常的情况下，快速响应电网的要求，稳定电网频率，以弥补电网负荷差距，维持电网的安全。
一、一次调频概述
一次调频是指电网的频率一旦偏离额定值时，电网中机组的控制系统就自动地控制机组有功功率的增减，限制电网频率变化，使电网频率维持稳定的自动控制过程。当电网频率升高时，一次调频功能要求机组利用其蓄热快速减负荷，反之，机组快速增负荷。此外，电网的频率是由发电功率与用电负荷大小决定的，当发电功率与用电负荷大小相等时，电网频率稳定；发电功率大于用电负荷时，电网频率升高；发电功率小于用电负荷时，电网频率降低。
二、发电机组一次调频的工作机理
电网负荷变化将引起电网频率改变，并网发电机组将根据各自的调节特性增减出力，负荷的变化由各机组共同承担，最终使发电与负荷达到新的功率平衡，将电网频率变化控制在一定范围内。调速系统调节过程中，各元件的运动规律和相互关系通常称为调节系统的动态特性；而在稳态条件下，各元件参数的相互关系，称为调节系统的静态特性。
发电机调速系统通过改变机组的蒸汽流量（或进水量）调节发电机转速。根据自动控制原理，引入机组转速负反馈以实现闭环控制。传感器将测量的机组转速信号送至调速系统，实际转速与给定值进行比较，根据两者间的偏差进行调节。通过合理设置调节系统参数，可获得理想的调节特性，避免闭环控制系统不稳定。其中，调速系统的死区和调差系数是机组一次调频性能涉及的两个重要参数。
机组调速系统设有死区，主要有两个作用：一是过滤转速小扰动信号，避免机组频繁调节，提高机组出力的稳定性；二是通过设置死区大小来控制机组是否参与一次调频，例如可将某些机组的死区设置较大而使其运行时只带基荷。参与调频的机组死区必须设在一定范围内，设置过小会使机组在小扰动中频繁调节阀门，损害设备；过大则电网功率缺额较大时调速器仍不动作，影响系统一次调频。
发电机的单位调节功率表示随频率变化机组发出功率增减的多寡，这个单位调节功率和机组的调差系数有互为倒数的关系。在多机系统中，各发电机调速系统必须具备有下降特性的频率-有功出力静态调节特性.当功率输出增大时，转速有一定程度的下降，以保证功率在各机组间稳定分配。静态调差系数决定了发电机转速与负荷的关系，对单台机组而言，在电网负荷变化中，机组调差系数越小，所承担的电网负荷增量就越大。此外，系统中各机组调差系数越小，则一次调频中频率变化引起的机组总出力变化越大，调频能力越好。但调差系数越小，机组出力的稳定性就越差。
三、一次调频关键参数设置问题的讨论
1、速度不等率及大小设置。发电机组速度不等率（水电机组指的是永态调差率）也称为发电机组调差系数，用于描述发电机组有功功率与转速（或电网频率）的静态特性的一个重要参数，一般用δ或R（调差系数）表示，过小的调差系数会使并列运行机组的功率波动较大。在液压调节系统中，这个参数是发电机组同调速系统的固有特性，一般难以随意改变。而对于当代的数字电液调节系统而言，这种固有的特性本质上已消失，需由相应的数字计算机的控制回路进行补偿相应的功率-频率特性。
由于速度不等率的随意设置特性，使发电机组的速度不等率的设置具有一定的随意性。随着电力系统运行对一次调频性能的要求越来越高，一些机组为了满足考核标准，盲目将发电机组的小转速偏差附近的速度不等率减小，以追求单台机组一次调频初期的快速响应能力，最后导致机组的压力波动较大。这种现象表明机组利用蓄热能力实现机组一次调频功能已超出了机组正常接受的范围，实际上对机组长期安全运行构成了极大的威胁。依据经典控制理论的知识，这样盲目调整速度不等率将导致一次调频控制回路产生超调现象，对整个电力系统的频率调整带来极为不利的影响，甚至会带来局部的机电振荡。
2、调频死区与设定。有些国家的发电机组一次调频控制回路不设置死区，发电机组冲转到接近3000r/min附近时，就开始依靠一次调频回路进行转速调节，且在负荷全程范围内一次调频作用均存在。考虑到目前我国电力技术实际情况，我国并入电网运行的发电机组的一次调频控制回路中的调频死区大都设置在±2r/min（0.034Hz）。调频死区的确定同测量转速或频率的精度、发电机组的自动化水平、发电机组调整机构的机械性能、电能品质中频率指标要求以及电网的容量有直接关系。一般来说，电网容量越大，要求的一次调频死区越小。因而，随着电网容量的不断增大，一次调频的死区将越来越小，对发电机组一次调频控制系统各方面性能的要求也将越来越高。
3、调频幅度与设定。考虑到机组的自动化水平和设备的性能，以及保证机组参与一次调频过程的安全性，一般要求有调频幅度的限制。而在早前的液压式调节系统中，无任何限幅措施；对于引进的其他国家的发电机组，一次调频控制回路也不设置调频的限幅，这同该国发电机组自动化水平有直接的关系。一次调频幅度的设定同机组形式、机组容量的大小、电网频率偏差的最大允许值等方面有关。一般来说，水电机组可不设置限幅；火电机组容量越小，调频相对幅值越大，目前要求的火电机组的调频幅度在6%～10%之间。
实际上调频上限的设置对于保证机组安全性方面是有必要的。但下限的设置，虽然在正常的情况下可能在防止锅炉主汽压力的超限方面有一定的作用，但在防止系统的超速方面就存在潜在的威胁，所以可适当将下限的限值放宽一些，以达到两方面安全性能的折衷。
4、一次调频投入信号及获取。对于火力发电机组，往往在控制组态中存在CCS侧和DEH侧两个一次调频投切开关，使发电机组一次调频投入信号的获取在逻辑实现过程中比较混乱，无统一的逻辑关系。为了清楚表明一次调频投入信号获取的根据，有必要说明火力发电机组的一次调频的本质。火力发电机组一次调频实际上是利用机组的蓄热来快速响应电网频率的变化，以快速弥补电网有功缺额。因而，发电机组在一次调频的过程中主要是依靠DEH对阀门开度校正来实现。所以，在一次调频控制过程中，DEH侧的一次调频的投入是发电机组是否发挥一次调频作用的必要条件。当机组的CCS控制回路故障切除后，CCS侧的一次调频作用也就自然消失，但发电机组DEH侧一次调频还在起作用时，仍可以起到调频的作用。所以，为了规范发电机组一次调频投入与否的信号，并能真实反映发电机组一次调频控制功能的实质，可采用下图的逻辑关系来获取发电机组一次调频投入信号，并传送至电网调度。
四、结语
综上所述，随着电网规模的不断扩大，电网系统的稳定性成为十分重要的研究课题，其中电网的频率稳定不仅关系到电网供电的质量，同时对电网的稳定至关重要。常规电网频率调节的责任在中心调度，当前电网的形势决定并网的各个机组要担负起主动调节电网频率的责任。此外，机组一次调频性能好坏与机组调速器的设置和机组控制方式密切相关，因此，应综合考虑机组对电网频率一次调节的作用来判定其性能。
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论文作者:姜乐亭
论文发表刊物:《防护工程》2019年第7期
论文发表时间:2019/6/26
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