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摘要： 频载自动调节按工作原理分为有差调节法、虚有差调节法和主导发电机法。发电机组调频指的是对系统频率进行二次调整，即通过系统调频装置对调频发电机组的静态特性曲线进行适当平移，以保持额定频率；在频率调整的同时，实现系统有功功率经济分配，使整个系统处于最经济的运行状态。本文分别说明有差调节法、主导发电机法和虚有差调节法的工作原理、调节过程与各自特点，并对三种方式的适用场合与局限进行比较。

 

一、有差调节法

 

1. 基本概念与调节原理

（1）基本定义

有差调节法是由调差系数相近的有差调速特性来恒定频率和负载分配的方法。

（2）无二次调节的特点

这种方法没有外加自动调频调载装置作二次调节，各发电机组只由具有有差特性的调速器来控制，因此不能很好地维持频率恒定，负载分配一般也不均匀。此外，它不能自动转移负载。

（3）"有差"的含义

所谓"有差"，是指调节结束后系统频率仍与额定值存在偏差。这一偏差并非调节失败，而是有差调速特性的必然结果——正是频率偏差的存在，才产生了调频所需的有功功率增量。若频率无差，则各机组调速器不再输出附加功率，调频过程也就无从发生。

2. 调节过程的机理分析

（1）频率偏差的产生

当系统负荷增加时，各发电机组的转速因阻力矩增大而下降，调速器感受到转速下降后增加供油量，使机组出力上升。但由于有差特性的存在，出力上升与转速下降是同时发生的，转速不能恢复到原值。

（2）各机组的同步响应

由于各调频发电机组均具有有差特性，且调差系数相近，当系统频率出现偏差时，各机组的平衡工作状态同时被打破，各机组均向同一方向进行有功调节。

（3）新的平衡点建立

当各机组出力增量之和等于负荷增量时，系统在一个略低于额定频率的新频率点上重新达到平衡。这一新频率点与额定频率之差即为稳态频率偏差。

3. 有差调节器的主要特点

（1）各调频发电机组同时参加有功调节

有差调节器有如下特点：各调频发电机组同时参加有功调节，无先后之分。当系统频率出现偏差时，各调频发电机组的平衡工作状态被打破，各调频发电机组均向同一方向进行有功调节，同时发出改变发电机组有功功率的命令。因此，所有的调频发电机组均向减少频率偏差的方向进行有功功率调节，共同承担减少频率偏差的任务，有利于充分利用发电机组的调频容量。

（2）计划外负荷按比例分配

计划外的负荷在调频发电机组间按一定的比例进行分配。调频发电机组所承担的计划外的有功功率的份额，与发电机组的调差系数 ${\mathrm{<span\; style="font-size:\; 14px;">K</span>}}_{\mathrm{<span\; style="font-size:\; 14px;">G</span>}\mathrm{<span\; style="font-size:\; 14px;">i</span>}}$KGi​ 成反比。${\mathrm{<span\; style="font-size:\; 14px;">K</span>}}_{\mathrm{<span\; style="font-size:\; 14px;">G</span>}}$KG​ 越大，调频发电机组承担的额外的有功功率增量越小。发电机组承担的计划外有功功率的份额的大小可以通过改变发电机组的调差系数来实现的。这一特性为通过调整调差系数来改变各机组负荷分配提供了手段。

（3）稳定后的频率偏差较大

稳定后的频率偏差较大。有差调节不能让系统频率稳定在额定值上。正是由于频率的偏差才有了调频的有功功率增量。没有频率偏差，也就不存在调频的有功功率增量。系统的负荷增量愈大，导致系统的频差愈大。使用有差调节器时，需要不断地人工校正调差系数，以减少频率的偏差。这是有差调节器固有的缺点。实际上，这种频率调节方式称为半自动的调频方式。

（4）不能自动转移负载

有差调节法不能自动转移负载。当需要将某台机组的负载转移至其他机组时，必须依靠人工调整各机组的调差系数或调速器设定值，操作过程依赖运行人员的经验判断。

4. 适用场合与局限

（1）对频率精度要求不高的场合

由于有差调节法结构简单、无需外加调频装置，适用于对频率精度要求不高、负荷变化相对平缓的小型发电系统。

（2）多机组并联时的局限

在多机组并联且负荷变化较大的场合，有差调节法的频率偏差和负载分配不均问题会明显暴露，需要辅以人工干预或其他调节方式。

（3）作为其他调节方式的基础

尽管有差调节法本身精度有限，但其有差调速特性是虚有差调节法等更复杂方式的基础。理解有差调节法的机理，是掌握其他调频方式的前提。

 

图1  发电机组调频调载装置控制

 

二、主导发电机法

 

1. 基本概念与角色划分

（1）主调发电机的确定

在并联运行的发电机中选择一台作为"主调发电机"，其任务是，当电网的负载变动出现频差时，由它改变油门、调整电网的频率维持于额定时，并承担系统负载的变化量。

（2）基载发电机的角色

其余的发电机组则总是保持运行于额定负载，称为基载发电机。

（3）角色划分的依据

主调发电机通常选择调速性能较好、容量较大或调节余量较充足的机组；基载发电机则选择运行稳定、效率较高的机组，以承担相对固定的基础负荷。

2. 调节过程与特点

（1）调节过程的单机承担

在主导发电机法中，频率调节任务集中于主调发电机一台机组，基载发电机不参与调频。当负荷变化时，主调发电机调整出力，维持系统频率。

（2）调节速度的局限

由于只有一台机组承担调频任务，其调频容量有限，当负荷变化幅度较大时，主调发电机可能无法独立承担全部变化量，频率恢复速度受到制约。

（3）负载分配的固定性

基载发电机保持额定负载运行，不随系统负荷变化调整出力，因此在负荷结构变化时，各机组之间的负载分配不一定处于经济状态。

（4）主调发电机的运行强度

由于全部负荷变化量由主调发电机承担，该机组的运行强度明显高于基载机组，其调速器、喷油泵等部件的磨损相对更快，维护周期应相应缩短。

3. 主调发电机的容量要求

（1）调频容量的下限

主调发电机的调频容量应不小于系统可能出现的最大负荷变化量，否则在负荷突增时无法独立维持频率。

（2）容量不足的后果

若主调发电机容量不足，负荷突增时可能出现频率大幅下降，严重时触发低频保护动作，导致部分负荷被切除。

（3）容量过大的代价

若主调发电机容量远大于实际需要，则机组长期在低负荷区运行，燃油消耗率上升，经济性下降。因此容量选择应在调频能力与经济性之间权衡。

4. 适用场合与局限

（1）机组容量差异较大的系统

主导发电机法适用于并联机组中有一台容量明显较大、调速性能较好的场合，由该机组承担调频任务，其余机组稳定运行。

（2）负荷变化较小的系统

在负荷变化幅度较小、频率要求一般的系统中，主导发电机法控制逻辑简单，运行管理方便。

（3）负荷变化剧烈时的局限

当系统负荷变化剧烈或主调发电机因故障退出运行时，系统将失去调频能力，频率可能出现较大偏差，因此该方法对主调发电机的可靠性要求较高。

 

图2  发电机并联运行电路图

 

三、虚有差调节法

 

1. 基本概念与调频准则

（1）基本定义

虚有差（或称假有差）调节法是将计划外的负荷分配给各调频发电机组，使系统频率维持给定值。为实现虚有差调节，各调频发电机组要装设有功功率分配装置，实现静态特性曲线的移动。虚有差调节时，调节过程中是有差的，但调节结束时是无差的。

（2）调频准则

根据一次调频方程，各调频发电机组的调频准则为：

$$\frac{{\mathrm{<span\; style="font-size:\; 14px;">P</span>}}_{\mathrm{<span\; style="font-size:\; 14px;">c</span>}\mathrm{<span\; style="font-size:\; 14px;">1</span>}}}{{\mathrm{<span\; style="font-size:\; 14px;">\alpha </span>}}_{\mathrm{<span\; style="font-size:\; 14px;">1</span>}}}<span\; style="font-size:\; 14px;">=</span>\frac{{\mathrm{<span\; style="font-size:\; 14px;">P</span>}}_{\mathrm{<span\; style="font-size:\; 14px;">c</span>}\mathrm{<span\; style="font-size:\; 14px;">2</span>}}}{{\mathrm{<span\; style="font-size:\; 14px;">\alpha </span>}}_{\mathrm{<span\; style="font-size:\; 14px;">2</span>}}}<span\; style="font-size:\; 14px;">=</span><span\; style="font-size:\; 14px;">\cdots </span><span\; style="font-size:\; 14px;">=</span>\frac{{\mathrm{<span\; style="font-size:\; 14px;">P</span>}}_{\mathrm{<span\; style="font-size:\; 14px;">c</span>}\mathrm{<span\; style="font-size:\; 14px;">i</span>}}}{{\mathrm{<span\; style="font-size:\; 14px;">\alpha </span>}}_{\mathrm{<span\; style="font-size:\; 14px;">i</span>}}}$$​​

式中 ${\mathrm{<span\; style="font-size:\; 14px;">P</span>}}_{\mathrm{<span\; style="font-size:\; 14px;">c</span>}\mathrm{<span\; style="font-size:\; 14px;">1</span>}}$、${\mathrm{<span\; style="font-size:\; 14px;">P</span>}}_{\mathrm{<span\; style="font-size:\; 14px;">c</span>}\mathrm{<span\; style="font-size:\; 14px;">2</span>}}$​、${\mathrm{<span\; style="font-size:\; 14px;">P</span>}}_{\mathrm{<span\; style="font-size:\; 14px;">c</span>}\mathrm{<span\; style="font-size:\; 14px;">i</span>}}$——各调频发电机组发出功率；

${\mathrm{<span\; style="font-size:\; 14px;">\alpha </span>}}_{\mathrm{<span\; style="font-size:\; 14px;">1</span>}}$​、${\mathrm{<span\; style="font-size:\; 14px;">\alpha </span>}}_{\mathrm{<span\; style="font-size:\; 14px;">2</span>}}$、${\mathrm{<span\; style="font-size:\; 14px;">\alpha </span>}}_{\mathrm{<span\; style="font-size:\; 14px;">i</span>}}$——各调频发电机组功率分配系数；

${\mathrm{<span\; style="font-size:\; 14px;">R</span>}}_{\mathrm{<span\; style="font-size:\; 14px;">G</span>}\mathrm{<span\; style="font-size:\; 14px;">1</span>}}$、${\mathrm{<span\; style="font-size:\; 14px;">R</span>}}_{\mathrm{<span\; style="font-size:\; 14px;">G</span>}\mathrm{<span\; style="font-size:\; 14px;">2</span>}}$​、${\mathrm{<span\; style="font-size:\; 14px;">R</span>}}_{\mathrm{<span\; style="font-size:\; 14px;">G</span>}\mathrm{<span\; style="font-size:\; 14px;">i</span>}}$——各调频发电机组调差系数。

（3）调节终止条件

系统负荷发生变化时，调频系统开始工作，直到符合上式调节才终止。考虑各调频发电机组发出功率之总和等于1，调节结束时 $\mathrm{<span\; style="font-size:\; 14px;">\Delta </span>}\mathrm{<span\; style="font-size:\; 14px;">f</span>}<span\; style="font-size:\; 14px;">=</span>\mathrm{<span\; style="font-size:\; 14px;">0</span>}$，即维持频率不变。

（4）输出功率的分配关系

各调频发电机组的输出功率为：

$${\mathrm{<span\; style="font-size:\; 14px;">P</span>}}_{\mathrm{<span\; style="font-size:\; 14px;">c</span>}\mathrm{<span\; style="font-size:\; 14px;">i</span>}}<span\; style="font-size:\; 14px;">=</span>{\mathrm{<span\; style="font-size:\; 14px;">\alpha </span>}}_{\mathrm{<span\; style="font-size:\; 14px;">i</span>}}<span\; style="font-size:\; 14px;">\sum </span>{\mathrm{<span\; style="font-size:\; 14px;">P</span>}}_{\mathrm{<span\; style="font-size:\; 14px;">c</span>}}$$​

可见，各调频发电机组按功率分配系数比例承担功率。显然，在调节过程中是有差的，但调节结果是无差的，故称虚有差调节。

2. 实现方式

（1）有功功率分配装置的必要性

要实现这种调频方法，各调频发电机组应具有有功功率分配装置。

（2）多电厂参与时的信号传递

当系统内有多个电厂参加调频时，先将各调频电厂的总功率（各调频发电机组实发功率之和）之和，借助远动通道传送到调频控制中心，相加后经功率分配装置分配，再将分配信号送回各调频电厂，再分配到各调频发电机组，于是各调频发电机组发出预定功率，实现调频发电机组间经济功率分配。

3. 主要特点

（1）调节过程有差，调节结果无差

虚有差调频方法具有如下特点：调节过程中是有差的，调节结束是无差的。

（2）调频速度较快

调频时所有调频发电机组一起动作，因而调频速度较快。

（3）按预定比例分配有功功率

调频结束后，调频发电机组按预定比例分配有功功率。

（4）功率误差与频率误差的补救

由于功率测量误差或功率分配误差，或其中一台调频发电机组功率受到限制，甚至跳闸，因而使各调频发电机组发出功率之总和≠1，从而导致调频结束后出现频率误差，即 $\mathrm{<span\; style="font-size:\; 14px;">\Delta </span>}\mathrm{<span\; style="font-size:\; 14px;">f</span>}\mathrm{<span\; style="font-size:\; 14px;">\ne </span>}\mathrm{<span\; style="font-size:\; 14px;">0</span>}$。为补救这一缺点，可将其中一台调频发电机组改为无差特性，即可将式中的某台调频发电机组的 ${\mathrm{<span\; style="font-size:\; 14px;">R</span>}}_{\mathrm{<span\; style="font-size:\; 14px;">G</span>}}$设为0。当 ${\mathrm{<span\; style="font-size:\; 14px;">R</span>}}_{\mathrm{<span\; style="font-size:\; 14px;">G</span>}\mathrm{<span\; style="font-size:\; 14px;">1</span>}}<span\; style="font-size:\; 14px;">=</span>\mathrm{<span\; style="font-size:\; 14px;">0</span>}$时，即使各调频发电机组发出功率之总和≠1，因第一台调频发电机组承担了剩余功率，故可维持系统频率为给定值。

（5）经济功率分配的局限

虚有差调节虽可维持系统频率为给定值，但参加调频的发电机组只能固定为几个电厂，因此很难实现系统的经济功率分配。随着系统容量的扩大，计划外负荷变动相对增大，要求有更多的电厂参与频率调整，实现也较困难。

 

四、三种调节方式的比较与选用

 

1. 调节精度的比较

（1）有差调节法

有差调节法调节结束后仍存在频率偏差，且负荷增量越大频差越大，精度最低。

（2）主导发电机法

主导发电机法由一台机组维持频率，精度取决于该机组的调速性能与调频容量，介于两者之间。

（3）虚有差调节法

虚有差调节法调节结束后频率无差，精度最高，但受功率分配误差影响可能出现残余频差。

2. 调节速度的比较

（1）虚有差调节法最快

虚有差调节法调频时所有调频发电机组一起动作，调频速度最快。

（2）有差调节法次之

有差调节法各机组同时参加有功调节，速度较快，但需要人工校正调差系数。

（3）主导发电机法受单机容量限制

主导发电机法仅靠一台机组调节，速度受该机组容量与响应特性限制。

3. 负载分配经济性的比较

（1）虚有差调节法按比例分配

虚有差调节法按功率分配系数比例分配，可实现调频机组间的经济功率分配，但参与调频的电厂数量固定，系统层面的经济性有限。

（2）有差调节法分配不均

有差调节法负载分配一般不均匀，经济性较差。

（3）主导发电机法分配固定

主导发电机法中基载发电机保持额定负载，负载分配不随负荷结构变化调整，经济性取决于负荷结构的稳定性。

4. 选用建议

（1）按系统容量与负荷特性选用

小型系统或负荷变化平缓的场合可选用有差调节法；机组容量差异明显、负荷变化较小的系统可选用主导发电机法；对频率精度要求较高、需要多机组协同调节的系统宜选用虚有差调节法。

（2）按经济性要求选用

若系统对经济功率分配有较高要求，应在虚有差调节法基础上完善功率测量与分配环节，或结合能量管理系统实现更优分配。

（3）按实现难度选用

有差调节法实现最简单，主导发电机法次之，虚有差调节法需要有功功率分配装置与远动通道，实现难度最高。

 

 

总结

本文分别说明有差调节法、主导发电机法和虚有差调节法的工作原理与特点：有差调节法各机组同时参加有功调节、计划外负荷按调差系数反比分配，但稳定后频率偏差较大；主导发电机法由一台主调发电机承担调频任务，其余机组保持基载运行，控制简单但受单机容量限制；虚有差调节法调节过程有差、调节结果无差，调频速度较快并按预定比例分配有功功率，但受功率测量与分配误差影响，且参与调频的电厂数量固定。其意义在于：三种调节方式在调节精度、调节速度、负载分配经济性与实现难度上各有取舍，实际选用时应结合系统容量、负荷变化特性、频率精度要求及经济性目标综合考虑，必要时可在虚有差调节基础上将一台机组设为无差特性以弥补残余频差，从而在频率质量与运行经济性之间取得平衡。

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