一次调频

定义

一次调频针对的是电力系统频率偏离额定值的情形。当用电负荷与发电出力不再匹配时，电网频率随之升降，并网机组的调节系统按各自的静态特性改变输出功率，以减小频率的变化幅度，这一由调节系统自动完成的功率调整就是一次调频^[3]。它属于有差调节，只能缓和频率偏移，不能使频率保持不变^[3]。

按照调节范围与调节能力的差别，频率调整通常划分为一次调频、二次调频和三次调频^[1]。中国电力系统的标称频率为 50 Hz，正常运行条件下频率偏差限值为 ±0.2 Hz，系统容量较小时可放宽到 ±0.5 Hz^[4]。在相关标准中，一次调频被解释为依靠调速器改变机组转速，使驱动转矩跟随系统频率变动^[5]。

原理

一次调频依靠发电机组的调速系统实现。负荷增加引起频率下降时，机组转速随之降低，调速装置据转速偏差开大汽轮机调门或水轮机导叶，增加有功功率；频率上升时则减小出力，最终在新的功率平衡点上稳定下来^[6]。整个过程由机组自身完成，不依赖调度指令，因此被称为分散自治的即时响应^[7]。

调频量的大小与转速不等率和频差有关，科普中国的资料给出的关系式为 $\Delta P_f = K \cdot \Delta f$，其中 $\Delta f$ 为频差信号，系数 $K$ 由转速不等率与额定转速确定^[8]。国家标准对火电机组要求，转速不等率设置在 3%～6%，调频死区在 ±0.033 Hz 或 ±2 r/min 范围内^[9]。参数设置导则进一步按机组容量等级细分取值，例如 1000 MW 等级机组的不等率取 4.5%～5.0%^[5]。

火电机组的调频回路一般由数字电液控制系统与协调控制系统两部分组成，前者以开环方式快速动作、直接改变调门开度，后者以闭环方式最终稳定负荷，其投入通常由运行人员手动完成^[8]。国标要求机组参与一次调频的响应时间小于 3 秒，稳定时间小于 1 分钟，燃煤机组达到 75% 目标负荷的时间不大于 15 秒、达到 90% 目标负荷的时间不大于 30 秒^[10]。

发展历程

20 世纪 80 年代中期以前，电力系统的调峰与调频研究多从静态角度展开，重点在电厂负荷的静态经济分配、安全经济调度与静态最优潮流，对时间方向上的动态约束关注不足^[6]。此后系统规模与负荷迅速增长，静态方法难以兼顾多方要求，对一次调频特性的研究逐步转向动态角度^[6]。

2013 年 12 月 31 日，国家标准《火力发电机组一次调频试验及性能验收导则》(GB/T 30370-2013)发布，2015 年 3 月 1 日起实施，规定了转速不等率、死区、响应时间、稳定时间与负荷变化幅度等验收指标^[11]。2018 年 2 月 28 日，中国电机工程学会发布《发电机组一次调频运行参数设置技术导则》(T/CSEE 0057—2017)，同年 5 月 1 日实施，适用于 100 MW 及以上燃煤、燃气机组和 10 MW 及以上水电机组，不适用于核电机组^[5]。

针对新能源，行业标准《电力系统网源协调技术规范》(DL/T 1870-2018)要求风电场、光伏发电站具备一次调频功能，可通过保留有功备用或配置储能设备、借助有功控制系统或加装独立装置实现^[2]。《电力系统安全稳定导则》(GB 38755-2019)同样提出，35 kV 及以上电压等级并网的光伏发电、风电和储能都应具备一次调频功能^[2]。

2021 年 10 月 11 日，国家标准《并网电源一次调频技术规定及试验导则》(GB/T 40595-2021)发布，2022 年 5 月 1 日起实施，适用于接入 35 kV 及以上电压等级的火电、水电、核电、燃气轮机发电、光热发电、抽水蓄能、风力发电、光伏发电及储能电站等并网电源^[12]。2020 年 10 月底，国网湖北电科院在随州王子山光伏电站完成该省首次新能源电站一次调频试验^[13]。

应用

在常规电源中，水电机组与火电机组都需要经过一次调频才能并网发电^[13]。实际运行中，水电厂、联合循环电厂等会开展一次调频试验，用于核查参数设置是否满足调度与标准要求^[14]。

储能是近年来受到重视的调频资源。对 35 kV 及以上电压等级并网的储能电站，一次调频死区设置在 ±0.03 Hz～±0.05 Hz，调差率在 0.5%～3%，并在充电、放电两种状态下均须具备一次调频能力^[2]。储能电站一次调频有功功率的滞后时间不大于 1 秒、上升时间不大于 3 秒、调节时间不大于 4 秒，达到稳定时的有功功率调节偏差不超过 ±1% 额定有功功率^[15]。

新能源场站方面，风电与光伏出力受光照强度、风速影响而起伏较大，一次调频控制难度较高，多数场站需要加装快频响应设备才具备相应能力^[13]。国家和华中地区监管部门已要求并网发电机组，包括 30 兆瓦及以上的风电场与集中式光伏电站，必须具备一次调频功能^[13]。

局限

一次调频是有差调节，动作结束后频率会稳定在与功率偏差相对应的新数值上，无法自行回到额定值，必须依靠二次调频继续修正^[3]。以中国 50 Hz 的系统为例，当功率缺额较大时，一次调频结束时频率可能停留在 49.8 Hz 附近，而不是 50 Hz^[7]。

一次调频的可调量也受到限制，其调节幅度通常不超过机组额定容量的 5%～10%，持续时间约 10 秒至 30 秒，只能应对短时扰动^[7]。火电机组的一次调频以机组蓄热或蓄能为调节资源，虽然性能优于水电机组，却无法长时间维持，资源消耗殆尽后频率可能重新失衡^[16]。

死区的设置是一种取舍。设置死区可以避免频率小幅波动时调节系统频繁摆动、提高设备运行稳定性，但死区过大又会减少机组参与调频的次数，削弱其性能发挥^[17]。风电与光伏机组惯量较低，其一次调频贡献能力有限，新能源占比越高，电网频率调节的难度越大^[10]。

参见

• 二次调频 —— 在一次调频之后动作，用于把频率无差地恢复到额定值。

• 自动发电控制 —— 二次调频的主要实现手段，由调度机构统一下达功率调节指令。

• 调速器 —— 一次调频的直接执行机构，根据转速偏差改变机组出力。

• 电力系统 —— 一次调频所在的运行环境，其频率由发电与用电的功率平衡决定。

• 电能质量 —— 频率偏差是电能质量的主要指标之一，一次调频用于抑制该偏差。

• 储能 —— 响应速度快的调频资源，常用来弥补常规机组一次调频能力的不足。