頻率控制

電網調度機構負責指揮電網的頻率調整,並使電網運行在規定的頻率範圍內。 ^[2] 

電網調頻廠根據系統調頻要求和電廠調整能力確定,在併網調度協議中明確。

在正常運行時,電網調度機構應安排適當的備用容量,並組織備用容量的分配。

電網調度機構按照有關原則(如CPS1、CPS2或A1、A2)控制互聯電網間的聯絡線功率。

控制電網頻率的手段有:一次調頻、二次調頻、高頻切機、自動低頻減負荷、機組低頻自啓動、負荷控制,以及直流調製等。

電網必須具有適當的高頻切機容量、低頻自啓動機組容量和自動低頻切負荷容量,並由電網調度機構負責管理。

頻率異常的處理:

a)當系統頻率高於正常頻率範圍的上限時,電網調度機構可採取調低發電機出力、解列部分發電機組等措施。

b)當系統頻率低於正常頻率範圍的下限時,電網調度機構可採取調高發電機出力、調用系統備用容量、進行負荷控制等措施。

——引自GB/T 31464-2015《電網運行準則》

（1）頻率對電力用户的影響：

1)電力系統頻率變化會引起異步電動機轉速變化，出現次品和廢品。

2)電力系統頻率波動會影響某些測量和控制用的電子設備的準確性和性能，頻率過低時有些設備甚至無法工作。

3)電力系統頻率降低將使電動機的轉速和輸出功率降低，導致其所帶動機械的轉速和出力降低，影響電力用户設備的正常運行。

（2）頻率對電力系統的影響：

1)頻率下降時，汽輪機葉片的振動會變大。

2)頻率下降到47-48Hz時，火電廠由異步電動機驅動的輔機(如送風機)的出力隨之下降，從而使火電廠發電機發出的有功功率下降。不能及時制止，出現頻率雪崩會造成大面積停電，甚至使整個系統瓦解。

3)發電廠的廠用機械多使用異步電動機帶動的，系統頻率降低將使電動機功率降低，影響電廠正常運行。

4)電力系統頻率下降時，異步電動機和變壓器的勵磁電流增加，使無功消耗增加，引起系統電壓下降。

（1）維持電力系統頻率在允許範圍之內：

電力系統頻率是靠電力系統內並聯運行的所有發電機組發出的有功功率總和與系統內所有負荷消耗(包括網損)的有功功率總和之間的平衡來維持的。但是電力系統的負荷是時刻變化的，從而導致系統頻率變化。為了保證電力系統頻率在允許範圍之內，就是要及時調節系統內並聯運行機組有功功率。

（2）提高電力系統運行的經濟性：

當系統頻率在額定值附近時，雖然頻率滿足要求，但沒有説明哪些機組參與並聯運行，並聯運行的機組各應該發多少有功功率。電力系統有功功率控制的任務之一就是要解決這個問題。這就是電力系統經濟調度問題。

（3）保證聯合電力系統的協調運行：

電力系統的規模在不斷地擴大，已經出現了將幾個區域電力系統聯在一起組成的聯合電力系統，有的聯合電力系統實行分區域控制，要求不同區域系統間交換的電功率和電量按事先約定的協議進行。這時電力系統有功功率控制要對不同區域系統之間聯絡線上通過的功率和電量實行控制。

調整發電功率進行頻率調整，即頻率的三次調整控制。而電力系統頻率控制與有功功率控制密切相關，其實質就是當系統機組輸入功率與負荷功率失去平衡而使頻率偏離額定值時，控制系統必須調節機組的出力，以保證電力系統頻率的偏移在允許範圍之內。為了實現頻率控制，系統中需要有足夠的備用容量來應對計劃外負荷的變動，而且還須具有一定的調整速度以適應負荷的變化。

現代電力系統頻率控制的研究主要有兩方面的任務：①分析和研究系統中各種因素對系統頻率的影響，如發電機出力、其本身的特性及相應的調速裝置、負荷波動和旋轉備用容量等，從而可以準確地尋找有效進行調頻的切入點。②建立頻率控制模型，即在某一特定的系統條件下，選擇恰當的發電機和負荷模型(在互聯繫統中還應考慮多系統互聯的模型)，並採用最優算法確定模型參數，在維持系統頻率在給定水平的同時，考慮機組負荷的經濟分配和保持電鐘的準確性。根據 GB/T 15945-1995，我國電力系統的額定頻率f_N為 50Hz，電力系統正常頻率允許偏差為±0.2Hz（該標準適用於電力系統，但不適用於電氣設備中的頻率允許偏差），系統容量較小時可放寬到±0.5Hz ^[1]  。

一次調頻是指當電力系統頻率偏離目標頻率時，發電機組通過調速系統的自動反應，調整有功出力以維持電力系統頻率穩定。一次調頻的特點是響應速度快，但是隻能做到有差控制。

二次調頻，也稱為自動發電控制（AGC），是指發電機組提供足夠的可調整容量及一定的調節速率，在允許的調節偏差下實時跟蹤頻率，以滿足系統頻率穩定的要求。二次調頻可以做到頻率的無差調節，且能夠對聯絡線功率進行監視和調整。

三次調頻的實質是完成在線經濟調度，其目的是在滿足電力系統頻率穩定和系統安全的前提下合理利用能源和設備，以最低的發電成本或費用獲得更多的、優質的電能。

頻率控制可採用以下兩種措施：

（1）正常運行時，採用自動頻率控制(AFC)或自動發電控制AGC)，其主要是在負荷緩慢變化時，調節發電機的輸出功率，以保持頻率恆定，保持系統中聯絡線上的功率小於規定值，同時調節發電機功率時，還要考慮按最優經濟原則分配機組出力。

（2）緊急狀態下頻率控制，在系統中有功功率出現大擾動，頻率出現大偏差時，儘快恢復頻率至正常值，以保證電力系統的安全。

系統中所有的發電機都裝有調速器，當負荷變動導致頻率變化時，調速器能感知發電機頻率的變化，自動調節進汽閥開度或導水葉的開度，改變發電機的有功出力，力求系統功率平衡。

一次調頻中原動機的作用為：當原動機配置自動調速系統，它的調速器隨機組轉速的變化不斷改變進汽量或進水量，使原動機的運行點不斷從一根頻率特性曲線向另一根頻率特性曲線過渡。

需注意的是：

（1）頻率的一次調整是有限的，其只限於週期短、幅度小、頻率高的隨機負荷變動引起的頻率偏移(負荷的變化週期在10s內)。

（2）頻率的一次調整是所有發電機組都可以參加的調頻任務。

如圖1所示，

（1）原始運行點在O點；

（2）在負荷突然增加，發電機組的出力不能及時跟上機組將 減速，系統的頻率將下降。

（3）在系統頻率下降的同時，發電機組的功率將調速器的一 次調整作用而增大(OB')，負荷功率也因本身的調節 效應而減少(B’A’)，經過衰減振盪過程，達到新的平 衡點O’。

(4)實現有差調節。

自動或手動操作調頻器，當負荷變動導致頻率變化時，使發電機組的頻率特性平衡地移動，從而使負荷變動引起的頻率偏移縮小在允許的波動範圍內。

需注意的是：

（1）二次調頻適用於調整負荷變化週期長、變化幅度大、頻率較低的脈衝負荷。(衝擊性、間隙性負荷)(變化週期10s-3分鐘)

（2）二次調頻的作用較一次調頻作用大，提高了發電機的發電功率，縮小頻率偏差。二次調頻是調頻的重要手段。

（3）二次調整不是系統中所有的發電機組都參加，一般由系統中較少的電廠承擔，承擔調頻任務的電廠稱為調頻廠，調頻廠可以分為主調頻廠和輔助調頻廠。主調頻廠調節後，若頻率還不能恢復正常時，啓用輔助調頻廠，而非調頻廠只能按分配的負荷發電。

（4）當調頻廠不位於負荷中心時，在調頻同時，還應考慮控制調頻廠與系統其他部分聯繫的聯絡線上流通的功率不要超過允許值。

如圖2所示，

（1）運行點O-O'-O''；

（2）二次調頻分為三部分：

1)由於調速器的作用而增大發電機組的功率；

2)因負荷本身的調節效應而減少的功率；

3)由於二次調整發電機增發的功率；

（3）可以實現是無差調節。

頻率的三次調整指各發電廠執行系統調度預先下達的發電計劃，定時調控發電機的有功出力，和在非預計的負荷變化經一次調整和二次調整積累到一定程度時，重新按經濟調度原則分配各發電廠的有功出力。

各發電廠按預先給定的負荷發電，這種給定的負荷是按經濟調度最優化的原則獲得的。這裏只講電力系統有功功率的經濟分配。電力系統中有功負荷合理分配的目標是在滿足一定約束條件的前提下，儘可能節約消耗的一次能源。