抽水蓄能机组的五类调频功能在电力系统调频与紧急事故应对中的作用分析

陈同法，万正喜，闫 磊，吴 铮

（1.国网新源控股有限公司，北京市 100761；2.华东天荒坪抽水蓄能有限责任公司，浙江省安吉县 313302；3.国网新源控股有限公司回龙分公司，河南省南阳市 473000）

抽水蓄能机组的五类调频功能在电力系统调频与紧急事故应对中的作用分析

陈同法1，万正喜2，闫 磊3，吴 铮1

（1.国网新源控股有限公司，北京市 100761；2.华东天荒坪抽水蓄能有限责任公司，浙江省安吉县 313302；3.国网新源控股有限公司回龙分公司，河南省南阳市 473000）

频率质量是电能质量的重要内容之一，而抽水蓄能机组通过提高电能质量而服务于电力系统的安全、稳定和经济。对频率控制进行深入分析，明晰抽水蓄能机组在不同类型的调频事件中的功能特点，以此为切入点深入认识抽水蓄能对电力系统功能，从而更加准确把握抽水蓄能的功能全貌具有重要意义。

抽水蓄能；调频；事故备用；电力系统

1 电力系统中负荷变化的冲击类型

电力系统在正常运行状态下，用电负荷和发电机输出功率一直处在一个动态平衡过程中，所属设备的操作也时有发生，这就使系统中不同节点的频率产生不同程度的波动。也就是说，系统能量始终处于动态均衡过程之中。

一般来说，负荷的瞬时变化主要由以下几部分组成：一是变化周期一般小于10s的随机分量；二是变化周期在10s～3min的脉动分量，其变化幅度比随机分量的幅值要大一些；三是变化十分缓慢的持续分量并带有周期规律的负荷，这是工厂作息制度、居民生活习惯以及气象条件变化等造成的，也是负荷变化的主体。另外，电源瞬间非计划停运或电网突然解列等紧急事故的影响接近于负荷瞬间大幅增加，是电网的重大负荷波动事件，但是又明显区别于传统经典理论的一、二类负荷变化，为了便于说明问题，本文一并作为负荷变化分量予以说明。为方便表述，本文分别将上述四类负荷对电网的冲击称为“第一类冲击” “第二类冲击” “第三类冲击”“第2.5类冲击”。

为了应对电网有功供需不平衡引发的频率偏离，电源有几种类型的应对方案。分别是自然调频、一次调频、二次调频、三次调频和紧急事故应对调频。

日负荷的上述变化如图1所示。

2 电力系统的频率控制类型

电力系统对于负荷变化的冲击，会有相应的应对措施，称为频率控制。频率控制既来自于电源，也来自于负荷。

频率控制在不同阶段呈现不同的特点，并据此划分为不同的调频类型。按动作时间的先后顺序，系统依次会有如下措施消除有功不平稳导致的频率波动：

发电设备的自然调频（机械惯性）、负荷的功率—频率调节效应（二者完全同步）→发电设备一次调频→发电设备二次调频→（针对于紧急事故情况的发电设备“第2.5次”调频、低频限载）→发电设备三次调频。

图1 典型日负荷曲线

注：

（1）负荷的转动部件也有机械惯性，也会参与自然调频，但与发电设备相比作用甚小，仅约其几百分之一，故可忽略不计。

（2）应对紧急事故的频率调整是电网的重大事件，但是未被包含在传统经典理论的三类调频之内。因其发生介于第二类和第三类之间，本文约称“第2.5次”调频。

2.1 自然调频

从系统频率偏离到调速器系统动作并发挥作用，有一定的时间差。在调速器系统动作并发挥作用之前，发电设备会伴随频率偏离的全过程，以自身的机械转动惯量抵制、减缓频率偏离，这一过程叫做发电设备的自然调频。在发电设备频率基本属性公式中，机组惯性常数表现为TJ。

式中：TJ为机组惯性常数，s；δ为转子q轴与同步速旋转的坐标实轴之间的夹角，rad；Mm为机械转矩；Me为电磁转矩；D为机械阻尼系数；ω为角频率，ω=2πf, rad/s。

发电设备的自然调频对于系统频率稳定、延缓负荷波动导致的频率偏离有重要意义。由于发电设备的自然调频，可以延缓频率波动1～2s。这对于电网频率稳定是极其重要的。

发电设备机组惯性常数可精确计算，但是不够直观。可以通过更为直观的方式作简单推算。举两例如下：

例1：为了避免机组突然甩负荷后飞逸转速过高，发电机组在设计时均会考虑其转动部件的转动惯量。如果该数值偏小，会通过加设机械配重予以提高（类似于手摇启动式柴油机的配重转盘）。一般情况下，发电机组的飞逸转速约为额定转速的170%～260%而不会更高，可见机组转动惯量之大。

例2:驻马店地区某次110kV与220kV解网，致使该地区110kV孤网运行，电网原总负荷44.4MW瞬间缺额19.5MW，缺额比例达43%。根据系统频率特性，一次调频动作前的静态平衡频率应降低9.0Hz，但由于发电设备的自然调频等作用，解网后的频率动态过程数据如表1所示，亦即1s之内仅降低了1.53Hz（可以认为，1s之内调速器尚未发挥作用，即电源的功率—频率特性尚未发挥）。如果只计负荷的功率—频率特性，2.25MW的负荷突增（或电源突降）即可瞬时使电网产生上述1.53Hz的频率降低。可见机组自然调频的作用之大。

表1 典型频率变化情况

显然，只有系统中正处于运行状态的机组，才可以向系统贡献自然调频功能。贡献率的大小，取决于机组的额定容量，而与运行容量（出力状态）无关。

2.2 负荷的功率—频率调节效应

当频率升降时，有功负荷会自动增减以适应系统频率变化的现象称为负荷的功率—频率调节效应。用标幺值表示为：

式中：KL为负荷的单位调节功率，KL*为负荷的单位调节功率的标幺值；PL为频率等于f时整个系统的综合有功负荷；fN为额定频率；PLN为额定负荷，即额定频率为fN时整个系统的综合有功负荷。

一般KL*=1～3，它表示频率变化1%时，负荷有功功率相应变化1%～3%。KL*的数值是不能控制的，它取决于综合负荷的构成和各类负荷的性质。

负荷的频率调节效应会在频率发性偏离的瞬间发生，并伴随频率偏离的全过程。

负荷的功率—频率调节效应有助于延缓、缩小系统的频率偏离，但贡献额度并不大。以KL*=1.5为例（华东电网取此值），最高负荷为4000万kW的电网，不计发电设备的功率—频率调节特性，全系统的负荷全部降低0.2Hz才可能消纳系统24万kW的功率缺额（换言之，不计发电设备的功率—频率调节特性，24万kW的功率缺额即可导致电网频率降低 0.2Hz）。

2.3 一次调频

当电力系统频率变化时，发电机组的原动机调速系统会自动改变原动机的输入，从而改变发电机的出力，以求系统功率供需平衡，恢复频率到正常允许偏差范围之内。频率变化导致发电机组输出功率变化的关系称为发电机组的功率—频率静态特性。用标幺值表示为：

式中：KG*为发电机的功率—频率静态特性系数，也称为原动机的单位调节功率；σ*为发电机组调差系数，以标幺值表示；∆f*为频率下降值；∆PG*为∆f*发生后发电机输出功率的增加值。

KG*是可以整定的。其值越大，频率偏离越小。通常汽轮发电机组的σ*=3%～5%，KG*=16.7～25，水轮发电机组σ*=2%～4%，KG*=25～50。

发电机组的一次调频对系统频率变化的响应快，可以起快速的缓冲作用，是频率主动控制的第一道防线。据IEEE统计，电力系统综合的一次调节特性时间常数一般为10s左右。华北电网要求一次调频负荷响应滞后时间（即电网频率变化达到一次调频动作值到机组负荷开始变化所需的时间）小于3s。

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料系统，当阀门开度增大时，锅炉中的蓄热暂时改变了原动机的功率，但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，原动机的功率很快又会回到原来的水平。因而，火力发电机组的一次调节的作用时间是短暂的。不同类型的火电机组，由于蓄热量不同，一次调频的作用时间为0.5～2min。

另外，一次调频是有差调节，不能实现对系统频率的无差调整（即仅靠一次调频，系统频率不能恢复到初始值）。

只有在系统中运行的机组，才可能贡献一次调频，也就是说无论机组的启动、爬坡速度多么快，只要不在运行状态，就无法发挥一次调频的作用。至于机组的一次调频贡献率，取决于运行机组额定容量，与σ%的整定值有关，与爬坡速度关系不大。一般来说，一次调频贡献率有如下关系：常规水电＜抽水蓄能＜常规火电。

2.4 二次调频

二次调频由发电机调频器进行、主要对第二种负荷变动引起的频率偏移进行调整，通过改变调频机组调速器系统的给定值，改变机组输出功率使电网频率回到额定值。系统中主要由调频机组承担二次调频任务。

由于一次调频作用具有衰减性和调整的有差性，不能单独实现频率的无差调整，因而要实现频率的无差调整，必须依靠频率的二次调节。

在协调控制的发电机组中，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1～2min。二次调节响应时间慢，不能调整那些快速的负荷随机波动，但能有效调整分钟级及更长周期的负荷波动。

一次调频与二次调频作用示意如图2所示。

发电机组二次调频的贡献率，与设备的爬坡速度有关。一般来说，各种设备的爬坡率如下：火电机组1%～2%/min，燃气机组50%/min，燃气联合循环机组1%～2%/min，水电机组30%～50%/min抽水蓄能机组50%/min。

2.5 “第2.5次”调频（紧急事故应对调频）

“第2.5类冲击”有容量缺口大（近百万至几百万kW）、波动剧烈两方面的特点，并且出现概率比较高。按华东电网的标准，频率偏差超过0.1Hz即判定为紧急事故。

图2 一次调频与二次调频作用示意图

应对“第2.5类冲击”的“第2.5次”调频机组必须具备容量大、爬坡速度快的能力。燃气机组、抽水蓄能机组和备用容量充裕的常规水电机组均可承担调频任务。

一般来讲，燃气机组成本高，水电资源分布受地理环境（包括来水的季节性等因素）局限较大，且通常远离负荷中心。因而，水资源条件好的地区，宜以水电站承担“第2.5次”调频；一般地区，如果条件允许，一般应以抽水蓄能电站承担；再则如果没理想的抽水蓄能建设条件，应建设足够容量的燃气电站。

2.6 三次调频

二次调频和“第2.5次”调频必然使发电机组偏离经济运行点，这一问题需要由三次调频（经济调度）来解决。

三次调频又称经济分配，其任务是以最低的开、停机成本（费用）安排机组组合，以适应日负荷的大幅度变化，经济、高效地实施功率和负荷的平衡。与一、二次调频不同，三次调频不仅要对实际负荷的变化做出反应，更重要的是要根据预计的负荷变化，对发电功率做出安排。

三次调频，实际上就是调峰（填谷）。经济调度控制周期一般为5～10min

三次调频的突出特点是对容量要求非常大，但是对机组的爬坡速度没有太高要求。

扣除运行成本的因素，具备较好调节性能的水电站、经济性较差的火电站、抽水蓄能电站、燃气联系循环机组均可承担该功能。

3 各种频率控制措施的经济性比较

3.1 自然调频

该功能基于安全运行方面的要求，所有机组都具备，因而不必另费代价，经济性好。

3.2 一次调频、二次调频

一次调频是系统内所有参与运行机组的“天职”。

二次调频，因机组启动速度、爬坡能力差异而具有不同的价值（电力市场中体现为价格）。但是，就调频本身而言，在电力支付费用中的比例非常小，据统计，美国PJM电力市场全系统调频价格仅占最终售电价的0.62%，澳大利亚各州电网均不超过1%～2%。

一、二类负荷变化引起的系统频率波动，一般都不会太大，其变动所引起频率变化大多都在频率允许偏差的范围内，所以这种负荷变化一般不会引起严重的调频问题。

3.3 “第2.5次”调频

一般来说，能单独承担“第2.5次”调频的电站主要是燃气电站和抽水蓄能电站。常规机组只有靠大范围联网、发挥规模效应才能体现该功能，因此就单个电站而言，其“第2.5次”调频功能不突出。水电站受所在环境影响大，因而其“第2.5次”调频功能强大但“适应性”稍差，不具有普遍性。

燃气机组的能源利用率很低，只有30%左右。因而一般建设成燃气联合循环机组。但是，因增加了锅炉装置，燃气联合循环机组的爬坡速度很慢，与常规火电无异，不再具有良好的“第2.5次”调频功能。

因此，可以认为，抽水蓄能电站在“第2.5次”调频方面的替代者，只有燃气电站。

3.4 三次调频

三次调频即调峰。电力市场中，该功能通过峰谷电价取得自己的电量和容量效益。抽水蓄能机组的三次调频功能最强，但是因为“抽4发3”的原因，其容量在电网中的比重有临界值，不宜太高。

4 抽水蓄能机组的调频性能

4.1 自然调频

抽水蓄能机组的机械惯性即自然调频功能与常规水电、火电机组无异。但是，由于该功能只有在机组运行时才能发挥作用，而抽水蓄能机组运行时间较其他类型机组少得多，因而抽水蓄能机组的该项功能不突出。

4.2 一次调频

抽水蓄能机组的一次调频功能与常规水电、火电机组无异。与自然调频同理，抽水蓄能机组的该项功能不突出。

4.3 二次调频

抽水蓄能机组的二次调频能力很强，既有较大的容量，又有快速的爬坡速度。但是，对于电力系统而言，系统中运行的机组应对二次调频一般都比较从容，对抽水蓄能机组的需求不明显。例如，华北电网常规水电较少，十三陵电站担任第一调频厂，电网要求抽水蓄能机组只要开机即挂AGC，AGC调度信号的发布周期大于5min；华东电网，对于启动AGC的运行机组，每15min发布一次“调频”指令，实际上主要承担三次调频任务（即经济调频或调峰任务）。华中电网，以宝泉电站为例，三年的运行周期内，仅启动AGC四次，基本没有承担调频任务。

可见，除十三陵电站外，抽水蓄能机组的二次调频功能不突出。实际上，即便是十三陵电站，二次调频作用的发挥与电站综合功能相比，也接近于微不足道。

4.4 “第2.5次”调频

当前，大容量机组、大负荷输电线路已成为电网的重要特征，数百万千瓦出力缺口的情形时有发生，紧急事故出现频率很高。

另外，近年来电网发生了很多非事故情况但呈现紧急事故的特征的现象。比如，2014年山东电网长期出现23：00左右，在20min之内负荷陡然变化450万kW的情况，呈现出典型的紧急事故的特点。

抽水蓄能机组的“第2.5次”调频能力很强，既有较大的容量，又有很快的爬坡速度。同样以宝泉电站为例，仅2013～2014年迎峰度冬期间，发挥“第2.5次”调频即达数十次。统计我国其他抽水蓄能电站，也同样具有这一规律。以浙江桐柏抽水蓄能电站为例，电站安装4台机组，装机容量120万kW。2014年迎峰度夏期间，电站运行方式多次根据电网需要做紧急调整，发挥“第2.5次”调频功能。如7月27日21：30～22：20，应网调要求紧急开两台机（60万kW）发电，持续时间约80min；9月19日18：42，应调度要求紧急增加3台机（90万kW）发电，等等。

因此，“第2.5次”调频，即紧急事故应对功能是抽水蓄能机组的重要功能。

一般来说，燃气机组可替代抽水蓄能机组的“第2.5次”调频，但是燃气机组能源利用效率很低（仅约30%左右），成本很高（约为抽水蓄能机组的两倍以上）。因而，只要工程地质条件允许，一般应以建设抽水蓄能电站承担“第2.5次”调频任务为宜。

4.5 三次调频

抽水蓄能机组的三次调频能力很强，它有较大的容量。但是，由于“抽四发三”的原因，其功能发挥有一个平衡点。即在平衡点以内，以抽水蓄能机组承担峰荷，对于系统而言是经济的；超过这个平衡点，则偏于不经济。这个平衡点，需要针对系统特点具体问题具体计算确定。

5 小结与建议

（1）常规意义上的调频，主要指一次调频、二次调频。对于电力系统的售电价而言，一次调频和二次调频所占比重都是微乎其微的，电价非常低，因此不能将抽水蓄能电费机制特别是调频功能收益的希望寄托于完全电力市场或者辅助服务收费。

（2）紧急事故备用功能是抽水蓄能电站的重要功能，一方面，紧急事故备用功能可以单独成为抽水蓄能立项的原因；另一方面，抽水蓄能的紧急事故备用功能可替代性差，替代成本高，因此应当给予充分重视。对抽水蓄能电站紧急事故备用功能的重视体现在抽水蓄能电站开发建设的全过程，包括电站选点规划阶段的必要性论证、可研阶段的经济评价、投产后的运行方式及电费支付和分摊方式等各个方面。

（3）过度夸大抽水蓄能的调频功能，一般都是对调频与紧急事故备用功能的混淆，这样一来，必然会弱化其紧急事故备用功能，得不偿失。因而，不应轻易夸大抽水蓄能调频功能。

（4）在抽水蓄能项目立项期间，一般以常规火电机组作为抽水蓄能机组的替代方案，确定抽水蓄能电站的经济性。实际上，调峰功能可以以火电作为替代方案，而紧急事故备用应对功能只能以燃气机组作为替代方案。这么一来，抽水蓄能的经济性将更为显著、更为客观！

[1] 帅军庆.特大型电网高级调度中心关键技术.北京：中国电力出版社，2010.

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[8] 程浩忠，等.电能质量概论.北京：中国电力出版社，2013.

陈同法（1976—），男，教授级高级工程师，主要研究方向：抽水蓄能及相关技术等。E-mail:187395256@qq.com

万正喜（1973—），男，高级工程师，主要研究方向：抽水蓄能在电力系统中的应用等。E-mail:wzx0023@126.con

闫 磊（1977—），男，高级工程师，主要研究方向：抽水蓄能在电网中的应用等。E-mail:353102027@qq.com

吴 铮（1977—），女，工程师，主要研究方向：抽水蓄能在电网中的应用等。E-mail:dolly_wu@tom.com

Research on Five kinds of Pumped-storage Unit’s Frequency Modulation Functions for Frequency Modulation and Emergency Response in Power Grid

CHEN Tongfa1, WAN Zhengxi2, YAN Lei3, WU Zheng1
（1.State Grid Xinyuan Company Ltd.,Xicheng District,Beijing 100761,China;2.East China Tianhuangping Pump Storage Ltd.,Anji 313302,China;3.State Grid Xinyuan Company Ltd.Huilong Branch,Nanyang 473000,China）

Frequency quality is an important factor in power quality. Pumped-storage unit improves power grid security,stability and economy by improving power quality and services.Frequency control of pumped-storage unit in different frequency modulation events is analyzed, it is very important to accurately grasp the function of the pumped-storage power station.

pumped-storage; frequency modulation; emergency;power grid