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电力系统分析中,发电机的一次调频特性是一个向下倾斜的直线,可以称之为下垂控制。不仅仅是频率调节了,在发电机电压调节(我之前写过博客谈过励磁的外特性),乃至微电网的控制中,处处可见下垂控制的声影。但即使是学电力系统的专业技术人员,也很少有人清楚下垂控制的来龙去脉。本文作一个简单的说明。
比如说发电机的一次调频控制,我们把下垂控制可以写成下面的形式:
Pg = P0 + k (f-f0)
式中:Pg为设定出力,P0为初始出力,k为直线的下垂斜率,是负值;f-f0是频率偏差。
这个公式用控制的语言表达,是一个简单的比例控制,他的几何表现就是下垂的直线了。能不能采用别的形式呢?比如在上面的公式加上积分项,改成PI(比例积分控制)控制怎么样?
那真的会出大问题了,真实世界的控制是很微妙的。比如说,一个发电厂有两台发电机,通过变压器连接到公共的高压母线上。一个发电机的频率测量装置有正误差;另一个发电机的频率测量装置有负误差。有测量正误差的发电机,会因为积分环节的存在,不断减少出力;有负误差的发电机,会不断增加出力。假定两个发电机的总体参数都一致,那么,正负抵消,发电厂的总体出力不会变,系统的频率也不变,仍然是50Hz。但是发电厂内的发电机出力却完全稳定不下来。
这还只是发电厂内的情况,如果考虑到系统出现大量功率不平衡,功率分配会引起更加混乱的情况。所以,分散安装的电力系统稳态控制器,往往呈现某种下垂控制的样子。
我们知道,比例控制是有控制稳态误差的。仅仅凭借比例控制,控制目标无法完成,总会有偏差。实用的做法是把带有积分项的控制(比如PI控制)放到一个集中控制单元,这样就可以消除稳态误差了,这就是二次调频的来历。二次调频测量频率,当然也有测量误差,但不必考虑大量控制器之间协调产生的控制不稳定问题。(多说一句,集中控制器也会有控制振荡、甚至控制不稳定的情况)。
总结来说,下垂控制是以消除不了控制误差为代价,保证控制的稳定性、实现的可靠性。至于控制误差可以由二次控制来完成,这是分层控制的结构。
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