燃气发电机组一次调频动作的暂态分析及优化策略

第6期

2021年2月

江苏科技信息

JiangsuScience&TechnologyInformation

No.6

February，2021

燃气发电机组一次调频动作的

暂态分析及优化策略

杨涛

（京能集团北京京西燃气热电有限公司，北京100041）

摘要：文章先阐述了电力系统频率调整对于国民经济的重要程度，然后从发电机转子所受力矩入手进

行分析，分别得出了原动机机械功率的频率特性模型和负荷电磁功率的频率特性模型。针对上面两

个模型对一次调频动作的暂态过程进行了分析。随后文章解读了华北地区一次调频的考核细则，最

终给出了3种优化一次调频调节性能的方法。

关键词：电力系统；一次调频；频率特性

中图分类号：TM62文献标志码：A

1电力系统一次调频的重要性

电力行业作为国民经济发展的先行行业，保证持

续、可靠、优质的供电是电力系统运行的基本任务。

在供电可靠性方面，我国大部分地区的供电可靠率均

达到了“5个9”的水平，在特别重要的地区，如北京

市，供电可靠率能达到“6个9”的国际先进水平

［1］

。在

优质供电方面，衡量供电是否优质通常采用电能质量

这一指标判断。电能质量指标包含3方面内容，分别

为：电压偏差、频率偏差和谐波含量。发电机的一次

调频正是为了保证频率偏差始终在合理范围内而采

用的调节手段。

频率在电力系统运行领域有如此重要的地位是

因为其始终和有功功率有着密不可分的关系。在电

力系统运行过程中，有功功率是始终保持平衡的，即

发出多少有功功率就必定有等量的有功功率需求。

这种功率平衡体现在发电机组上就是作用在发电机

转子上的原动机机械功率与负荷的电磁功率相等

［2］

。

只有当二者时时相等时，发电机转子才能保持恒速运

行。当参与并网的所有发电机电磁频率全部相等，则

整个电力系统的频率也就统一了。从电力源头上看，

不论是以火电形式发电的同步发电机组，还是以新能

源形式发电的风力、光伏机组，只要是参与并网发电

的，频率全部统一为50Hz。在电力需求方面，电力系

统中大部分负荷均为异步电动机。异步电动机的输

出功率对于频率十分敏感，当电网频率降低1%时，恒

转矩负荷电机输出的有功功率也会降低1%。对于纺

织业、造纸业等依靠异步电动机从事生产的行业，当

频率发生变化时，产品质量将严重受损。对于发电企

业，绝大多数厂用电负荷均为异步电动机所带，当电

网频率降低时，高压给水泵等重要辅机设备将出力

不足，从而影响机组出力

［3］

。严重时，机组出力不足

将进一步加速电网频率降低，最终导致大面积停电

事故。

因此，为了保证各行各业能够顺利从事生产活

动，电力系统频率偏差必须始终保持在一定范围之

内。GB/T15945—2008《电能质量电力系统频率允许

偏差》中第3.1条规定，“电力系统正常运行条件下频

率偏差限值为±0.2Hz。当系统容量较小时，偏差限

值可以放宽到±0.5Hz”。

由此可见，电力系统的频率指标在生产生活中的

地位十分重要。发电机组一次调频作为调节电网频

率的重要手段，其调节效果的优劣直接决定了电力系

统频率偏差指标的好坏。为了使一次调频达到理想

效果，需要对一次调频动作的暂态过程进行分析

［4］

。

2一次调频动作的暂态分析

发电机转子能够保持恒定转速运行是由于作用

在发电机转子上的转矩时刻相等的缘故。当电力系

统频率发生变化时，其本质原因一定是因为作用在发

电机转子上的力矩不再平衡。一次调频为了使发电

机转速始终维持在一定范围内，其调节的方法最终一

定归根于调节发电机转子力矩上面。因此，从作用在

发电机转子上的转矩入手，即可分析出一次调频动作

时的暂态特性。下面首先对发电机转子的运动方程

进行分析。

2.1同步发电机转子运动表达式的建模

对于旋转物体，机械角速度与不平衡转矩之间满

作者简介：杨涛（1992—），男，四川遂宁人，助理工程师，硕士；研究方向：继电保护和电气测量。

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P

G

足下面的等式：

j

α

=J

dω

ΔM

dt

式中：J为发电机转子转动惯量；ω为转子角速度；M

为转矩；t为时间。

当发电机转子以额定转速运行时，其动能的表达

式为：

W

K

=

1

Jω

2

2

为了便于分析，将上面两式的转矩以额定转矩为

基值取标幺值，将角速度以额定转速为基值取标幺

值，可以得到发电机组的惯性时间常数表达式为：

T

J

dω

=ΔM

dt

式中：T

J

为发电机的惯性时间常数。从表达式中可以

看出，T

J

的物理意义为在发电机转子上施加额定转矩

后，转子由静止状态上升到额定转速所用的时间。

当发电机转子转速发生变化时，必定是由于产生了

加速度，而转子加速度的产生则是因为力矩发生了

变化。转子角速度的一阶导数即为转子加速度，可得

下式：

dω

=

1

(P-P)

e

dt

T

J

T

ω

为发电机的额定转速，式中：为常数；T

J

也是个常数；

P

T

为原动机的机械功率；P

e

为发电机的电磁功率。因

此，若要改善一次调频的调节效果，需要从原动机的

调节特性以及符合的调节特性入手。

2.2原动机机械功率与频率的关系

对于燃气电厂，原动机的机械功率来自于天然气

燃烧后产生的烟气做功。转动物体的机械功率为转

矩与转速的乘积

［5］

。当转速很低时，即使烟气在叶片

上施加的转矩很大，所产生的机械功率也很小。而当

燃机的转速很快时，烟气的流速又难以跟上叶片的旋

转，输出的机械功率也很小。因此，对于没有调速器

的燃机，机械功率与频率的关系如下：

P

T

=C

1

f-C

2

f

2

式中：C

1

和C

2

均为常数；f为原动机频率。对于参与

一次调频的燃气发电机组，发电机的增减出力主要依

靠自动调速器来完成。自动调速器的最基本原理为

“离心飞摆”原理，也即自动调速器将跟随发电机转速

自动调节燃料供给量

［6］

。当发电机转速过低时，自动

调速器已调至最大，此时的发电机处于最大出力状

态，而并非没有调速器时的功率下降状态。因此，对

于参与一次调频的燃气机组，其机械功率与频率的特

性如图1所示。

图1中，一次调频的可调部分对应于斜率为负的

区间。从图1可以看出，燃机输出的机械功率与电网

频率呈现负相关，也就是当电网频率下降时，燃机发

电机将增加出力，当电网频率上升时，燃机发电机将

减少出力。以上只是从发电企业角度说明了功率与

频率之间的特性，只解决了作用在发电机转子上原动

P

P

GN

f

N

f

图1原动机静态频率特性曲线

机的力矩。对于转子上的电磁力矩，需要对电力系统

的负荷频率特性进行说明。

2.3用电负荷电磁功率与频率的关系

电力系统中的用电设备，其负荷功率会随着电网

电压或电网频率的变化而发生变化，这一特性称为负

荷特性。在分析负荷功率与频率之间的特性关系时，

需要建立负荷模型。在电力系统中，常用的负荷模型

有3种，分别为恒定阻抗模型、综合负荷静态模型和

综合负荷动态模型。对于异步电动机，根据负荷的实

际特点，可以将负荷分为恒转矩负荷和恒功率负荷。

对于恒功率负荷，由于其功率保持恒定，因此不会受

到电网频率的影响，故不必加以分析。对于恒转矩负

荷，其功率与转矩之间的关系如下：

P

e

=Mw

式中：P

e

为功率；M为恒定转矩；w为角速度。由于转

矩是恒定的，因此功率与角速度成正比关系。角速度

与电网频率成正比关系，功率也与频率成正比关系。

负荷的频率特性如图2所示。

P

P

2

2

1

Δ

f

Δ

P

P

P

N

P

1

f

1

f

f

N

f

2

图2负荷静态频率特性曲线

由图2中可以看出，当电网频率上升时，负荷功

率也会随之增大，当电网频率下降时，负荷功率也会

随之下降。

2.4一次调频动作的暂态分析

前面已经对作用在发电机转子上的机械转矩和

电磁转矩进行了分析，并分别得出了原动机机械功率

的频率特性和用电负荷电磁功率的频率特性。下面

对一次调频动作的暂态过程进行分析。图3所示为

一次调频动作的暂态过程。其中：P

G

为原动机的机械

功率频率特性曲线；P

L

为负荷的电磁功率频率特性曲

线。当P

G

=P

L

时，电网处于平衡状态，此时的电网频

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P

G

O

P

L

′

A

′

B

′

O

′

A

f

0

′

f

0

f

P

L

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B

Δ

P

L0

图3一次调频动作过程

率为f

0

。某一瞬间，当用电负荷突增时，电磁功率P

L

变

为P

L

′

，P

L

′

=P

L

+

Δ

P

L

。由于发电机转子存在机械惯性，发

电机无法及时响应负荷的突增，导致P

G

＜P

L

′

。由前

文推导的公式可知，此状态下发电机转子将开始减

速，电网频率开始下降。随着电网频率的下降，由负

荷P

L

′

的频率特性可知，P

L

′

将沿

A′

点向

O′

点运动。与此

同时，由原动机的频率特性可知，P

G

将沿着O点向

O′

点运动。最终，发电机在

O′

点处保持平衡，电网频率

不再发生变化。从

O

点到

O′

点，一次调频完成了一次

完整的动作过程。

从图3中可以看出，一次调频动作的最终结果

是：电网频率重新达到了平衡状态，但是新的平衡状

态下电网频率

f′

与之前的平衡状态

f

存在偏差，说明

一次调频是属于有差调节电网频率的调节手段。但

是只要

f′

与

f

之间的偏差在GB/T15945—2008允许

的范围之内，电网频率就是安全的。并且，由于电网

负荷是实时变动的，只要下一次负荷变低了，在一次

调频的作用下，电网频率又会有所上升。在一次调频

的作用下，电网频率可以始终维持在50Hz附近，从

而保证了电力系统供电频率的质量。

3《一次调频考核细则》解读

对于安装了自动调速器的发电机组，所有参与并

网的发电机都会参与电力系统的一次调频。为了考

核发电机一次调频的调节效果，华北网调印发了《华

北电网并网机组一次调频性能评价指标及计算方法-

细则版》（以下简称《细则》）。在该《细则》的评价指标

中，一共有3个指标用来评价发电机组的一次调频性

能，分别为：15s出力响应指数、30s出力响应指数和

电量贡献指数。这3个指标的考核方式总结有以下

几点。

（1）15s出力响应指数：机组一次调频的负荷调

整幅度应在15s内达到理论计算的一次调频最大

负荷调整幅度的75%，否则机组一次调频判定为不

合格。

（2）30s出力响应指数：机组一次调频的负荷调

整幅度应在30s内达到理论计算的一次调频最大

负荷调整幅度的90%，否则机组一次调频判定为不

合格。

（3）电量贡献指数：从频率偏差超出死区开始，直

至频率偏差恢复到死区范围结束（如果时间超过60s，

则按60s计算），机组实际贡献电量需达到理论贡献

电量65%，否则机组一次调频判定为不合格。

这3个指标只有全部满足要求才能计为一次调

频正确动作一次。而对于北京地区的燃气发电企业，

目前一次调频普遍存在的问题是发电机组的出力在规

定时间内无法满足该《细则》的要求。为了改善一次

调频的调节性能，可以从3个角度入手，即增大一次

调频动作出力、缩短一次调频响应时间、提高频率采

样精度。下面从这3个角度详细说明改善措施。

4一次调频的优化策略

在月度一次调频考核情况数据统计的过程中发

现，3个考核指标往往很难同时满足《细则》的要求。

不满足的原因主要集中在机组出力无法在规定时间

内达到指标要求。从这个主要原因出发，只要能够增

加一次调频出力或者缩短发电机组一次调频响应时

间就可起到改善调节性能的效果。

4.1增加一次调频出力的措施

在《细则》中，3个考核指标最终都会落实在理

论功率的计算上，所有的考核方式均与理论计算功

率挂钩。按照《细则》给出的理论最大出力调整计算

公式：

Δf×P

N

ΔP

=-

max

f

n

×δ

P

N

为发电机组

ΔP

为理论最大出力调整量；式中：

Δf

max

为考虑到调频死区的实际最大频率偏

额定功率；

f

n

为50Hz；

δ

为转速不等率。

差；

从该计算公式中可以看出，除了

Δf

max

，其他参数

全都是常数，即当发电机组投入运行之后，其调节性

能就已经固定。若要从发电机本身的调节性能入手，

则需要改变发电机组的原有参数，如转速不等率

δ

和

额定功率

P

N

。

对于转速不等率

δ

，可以通过机组调试的方法，调

整转速不等率

δ

的大小来达到提高机组一次调频出力

的效果。

从图1可以看出，原动机静态频率特性曲线的斜

率从根本上决定了一次调频动作时出力的大小。当

斜率越大曲线越陡时，调节同样的频率偏差所需要的

出力也就越大。而曲线斜率的计算正是通过转速不

等率

δ

得来，即改变转速不等率

δ

，使

δ

变小，就可以达

到提高一次调频动作出力的效果。

对于额定功率P

N

，可以通过机组扩容的方式提高

额定功率P

N

，但同时需要满足机组扩容之后，新的转

速不等率δ比之前的小。单纯地为了增加一次调频动

作正确率而对机组进行扩容，在经济效益上显得不太

划算，但是当发电机组需要扩容时，则需要把减小转

速不等率δ纳入考虑范围之中。

4.2缩短发电机组一次调频响应时间

对于燃气机组，发电机一次调频的动作依据是频

率偏差大于（50±0.033）Hz，且至少有一个频率采样

P

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点落在（50±0.04）Hz的范围之外。当上述条件满足

之后，一次调频开始动作，并开始记录15s出力响应

指数、30s出力响应指数和电量贡献指数。从上述3

个指标可以看出，一次调频最短的动作时间也需大于

15s，否则将无法考核15s出力响应指数。而一次调

频动作的最长时间为60s，超过60s则按照60s计

算。对于燃气机组，虽然其调峰性能优越，但由于其

增减负荷需要依靠燃料供给，而燃料燃烧需要一个过

程，因此在秒级别的短时间内，燃气机组升降负荷的

灵敏性欠佳。为了弥补燃料燃烧占据的时间，可以针

对燃料预混阀进行调试，优化其动作响应时间特性。

在需要机组增减出力时，提前增加或减少一定裕度的

燃料，以达到快速响应的目的。

4.3提高频率采样精度

从前面的公式中可以看出，理论最大出力调整量

ΔP

计算过程中的唯一变量是

Δf

max

，而这个频率偏

差则是通过频率变送器实时采样电网频率来实现

的。当采样频率超出死区时，一次调频开始动作。考

虑到频率变送器自身的误差，当频率变送器的采样精

度始终为负误差时，会出现增加机组出力的现象。当

电网频率下降时，从一次调频的角度可以得到更多的

机组出力，使发电机更容易满足一次调频指标要求。

但是这样会带来两个后果，一个是增加发电机组一次

调频的误动次数，另一个是当电网频率上升时会使发

电机组更不容易满足一次调频指标要求。第一种情

况往往是在电网频率低于50Hz但尚未达到一次调

频动作死区时出现。倘若电网频率继续下降并且超

出死区，则由于频率变送器负误差的缘故，发电机组

会提前出力，使得考核指标更容易满足。倘若电网频

率并没有超出死区，则发电机有可能误判需要进行一

次调频。但是由于《细则》对于误动作没有考核，因此

第一种情况对于发电企业来说是有利无弊的。第二

种情况出现在电网频率高于50Hz时，由于频率变送

器负误差的缘故，会造成发电机组拒绝一次调频动

作。因此，单纯从频率变送器的精度出发，频率高于

50Hz时为正误差，频率低于50Hz时为负误差是最

理想的状态。

频率采样环节另一个重要设备就是西门子卡

件。频率变送器将采样频率传输给西门子卡件，卡件

本身的精度以及各个逻辑模块之间传输数据的精度

也是影响一次调频最终动作效果的因素之一。因此，

从提高频率采样精度的角度出发，需要对频率变送器

以及西门子卡件进行联合校准工作。

5结语

文章从发电机转子运动方程出发，找出了决定发

电机转子转速的物理量——原动机的机械功率和负

荷的电磁功率。随后对这两个功率的频率特性进行

了建模，并在此基础上分析出了一次调频动作的暂态

过程以及动作结果。最后根据北京地区燃气电厂在

一次调频动作过程中存在的共性问题，从华北网调印

发的《细则》入手，给出了改善一次调频调节效果的具

体建议。

参考文献

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试验性能分析［J］.科技风，2019（30）：171.

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电力，2020（1）：177-185.

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化及应用［J］.浙江电力，2019（6）:64-71.

［4］陈锦洲，段荣华，陈磊，等.电力系统调频控制相关

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［6］柴小明.超临界火电机组一次调频裕量及提升方

法研究［D］.济南：山东大学，2019.

（编辑姚鑫）

Analysisandoptimizationstrategyofprimaryfrequencyregulation

YangTao

（BeijingJingxiGas-firedThermalPowerCo.,Ltd.,Beijing100041,China）

Abstract:Inthispaper,theimportanceofpowersystemfrequencyadjustmenttonationaleconomyisdiscussed,and

thenthefrequencycharacteristicmodelofprimemovermechanicalpowerandthefrequencycharacteristicmodelof

loadelecnsientprocessofthefirst

edetailedrulesofprimaryfrequency

modulationinNorthChinaareinterpreted,andthreemethodstooptimizetheperformanceofprimaryfrequency

modulationaregiven.

Keywords:powersystem;primaryfrequencyregulation;frequencycharacteristics

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