《多能互补发电系统频率控制仿真与分析》开题报告

开题报告表课题名称多能互补发电系统频率控制仿真与分析课题来源课题类型指导教师学生姓名学号专业课题的意义以及国内外发展状况1、课题的意义随着社会经济的快速发展，人们对能源的需求越来越高，不仅要有足够的能量，而且还必须保证能量供应时安全可靠。当前社会所需要的能量很大一部分是以电能的形式提供，而且电能消耗占总能量消耗的比重将会越来越高。然而我国能源分布极其不平衡，煤炭资源主要集中在西北地区，水能资源主要集中在西南地区，能源消耗却主要集中在经济发达的华东、华中和华南地区以及沿海地区，这就导致能源供应与需求出现地域性差异。不仅如此，如果仍以发展燃煤为主的传统化石能源，进行区域性供热供电，会造成大气污染，给城市带来严重的雾霆问题，增加环境负担，这与中国提倡的可持续发展相违背。为了解决上述问题，加大开发西部地区丰富的水能、风能、光能等清洁能源，可以在保护环境的情况下，提高社会经济发展对电力的需求。这就需要通过电网的互联进行远距离输电，解决供给与需求的平衡，增强电力系统的安全性和可靠性。因此，“西电东送”是我国电力系统发展的重要战略；“南北互供”是我国互联电网发展的保证手段。考虑到传统化石资源有限和环境污染越来越严重，开发可再生的清洁能源成为解决问题的关键之一，其中，风电能源具有可再生、无污染、效益好等优点受到了各个国家的广泛关注。目前，世界各国都加大了对风力发电的研究，风电产业得到了巨大发展，且风力发电占各类能源总发电量的比例也越来越高，但无论是独立的风电场还是传统的区域性电网，当负荷发生扰动时，延时性会导致系统供需之间的不平衡，使电网频率发生波动，频率偏差过大会对电力系统的运行造成危害，影响电网的安全。频率是衡量电能质量的三大指标之一，电力系统运行时，必须将频率控制在额定值附近的允许范围内，为了维持频率的稳定，确保发电与负荷的平衡，需要对产生和消耗的有功功率进行控制。电力系统频率是发电功率与用电负荷共同决定，当发电输出功率与负荷消耗功率相等时，系统频率稳定；当发电输出功率大于负荷消耗功率时，频率升高；当发电输出功率小于负荷消耗功率时，频率降低。我国电力系统的额定频率为50Hz，运行时所允许的偏移量为±0.2~±0.5Hz。频率一旦超出允许的范围时，不仅会降低电能质量，给工业生产、居民生活带来不便，还会影响用电设备的使用寿命，严重时甚至会危及电力系统运行的安全，导致整个电网发生崩溃瓦解，造成不可估量的经济损失。所以，为了维持电力系统频率在正常范围内，通常需要进行频率调节，特别对互联性电网需要进行自动发电控制。当电力系统发生故障时，发电机组会根据负荷的变化而改变输出功率，由于机械惯性响应存在时间延迟，会引起系统的频率发生波动。各控制区可以通过本区域发电出力进行功率的相互支援，从而提高系统的可靠性、安全性及稳定性。多能互补发电是互联电力系统的发展趋势，它将各个控制区之间用联络线进行连接，所以控制区之间的联络线潮流控制构成了电网频率控制的关键环节，其实质意义在于落线口子潮流变化引起的频率变化，实际上反映了某个控制区挪用了其他控制区的电能，并将运行安全风险转移至其他控制区。电力系统的频率恢复需要通过互联电网中各个组成部分协调控制来完成，为了快速有效地使频率恢复到正常值，可以考虑将风电加入互联电力系统中进行频率的调节。传统的风电机组采用变频器控制，容易使机组转子的转速与电网解祸，没有很好的频率响应特性。为了使风电机组具有像火电机组或水电机组那样的频率响应特性和调频能力，本文采用双馈风电机组，通过调整转子里的旋转动能，改进其惯性控制策略来参与互联系统的频率调节。这样，能使风电机组具有良好的调频特性，参与互联电网的功率支援与频率调节。在仿真过程中，通过对比传统单区域的一次、二次调频，分析加入风电后进行互联的调频效果，提出了利用风电作为辅助频率调节，支援传统能源进行电网的频率控制（无风时用水电进行功率支援），其中用了三种区域性频率控制策略，提高风电机组参与电网频率调节能力。2、国内外发展状况电网的频率控制技术自从电力工业革命开始就不断发展，特别是近代，随着计算机、自动控制等技术的成熟，电力系统的频率控制也更加自动化和智能化。国内外对电网频率控制技术的研究也从未停止，围绕多能互补发电系统的频率控制进行研究，主要包括如下几个方面：（1）自动发电控制的相关研究近年来，对自动发电控制相关问题的研究一直没有间断。颜伟等学者主要分析了自动发电控制的策略及其发展情况；Bekhouche学者针对在负荷频率控制系统下，自动发电控制的技术特点；易宇琴主要研究电网的AGC协调控制与优化方法，其中对水、火机组的自动发电进行了协调控制及调节性能分析；周念成等学者主要是基于模型预测控制，对两区域互联电网的AGC系统进行研究；王玮、高宗和、李挺以及任广宇在CPS评价标准下，对AGC的控制策略及频率偏差系数进行研究；Gao主要是增加PID控制，对自动发电控制进行优化；王松岩是考虑风电接入系统后，对其中非AGC与AGC机组协调控制策略的研究。综上所述，目前对自动发电控制相关问题的研究是从整个互联电力系统的基础上进行的，由于互联能源的不同，所以可以对风力接入传统能源系统进行进一步研究。（2）互联电网建模的相关研究组成电力系统的各个部分有着自己的结构、原理、特性等，这些特点给电力系统建模带来了诸多困难。汤涌主要针对电力系统而言，讨论了其数字仿真技术的现状与发展；周博主要对电力系统频率控制中的负荷进行建模与应用讨论；王宏宇对汽轮发电机进行研究，建立其动态数学模型；张仰飞是对同步水轮发电机进行研究，主要分析其机械参数辨识；魏毅立对风力发电系统进行研究，对风速进行了数学建模；国家能源局提对同步发电机原动机及其调节系统参数实测与建模标准的介绍；DeMello对电力系统快速与慢速动态影响的仿真。综上所述，要想实现风电接入电网，与传统能源进行互联，必须要对互联电网各个部分进行建模仿真，所以研究相关模型建立具有非常重要的意义。（3）风电机组频率控制的相关研究针对风电机组对传统能源进行功率支援及辅助调频控制，国内外学者对其进行了深入的研究。倪琳娜、付娅主要是对含有风电电力系统频率控制的研究；文献田汝冰、邹贤求、吴政球主要是研究风电机组参与电网一次调频，包括对变速风电机组和恒速风电机组进行研究；叶鹏、张昭遂、李灿、赵晶晶、朱晓荣主要是研究双馈风电机组通过变桨距和变速协调控制频率，在多种情况下，利用虚拟惯性进行频率控制；Jose主要是对风电场自动发电控制的研究。综上所述，研究风电机组本身的结构以及控制方法对风电接入电力系统进行频率控制，具有非常重要的价值。本课题的研究内容、方法、手段及预期成果1、本课题的研究内容（1）围绕多能互补发电系统及互联电网频率控制进行阐述，提出国内外各类文献在其相关领域的研究情况。（2）简单介绍了电网的频率控制，重点分析了负荷，发电机组及电力系统的有功功率一频率的静态特性，阐述了自动发电控制技术，对一次调频、二次调频、三次调频分别进行了描述，并对一次调频和二次调频的模型进行建立和分析。（3）主要对互联电网中各个部分进行数学建模，分别对发电机、负荷、发电机一负荷、火电机组调速器与原动机、水电机组调速器与原动机的原理结构进行分析，推导其传递函数，建立简化的数学仿真模型。重点分析了风电机组的调频方式，改进其频率控制的惯性环节，建立数学模型。最后，为了将风电区域接入到含有传统机组的控制区，对区域间的联络线进行了数学模型搭建。（4）根据互联电网中各个部分的数学模型，设计并搭建了含有风电区域的多能互补发电系统数学模型，采用MATLAB中的Simulink仿真软件部分对其频率控制进行仿真。2、本课题的研究方法与手段研究方法：本文是以风电作为新型能源角色，对传统能源控制区（具有火电、水电发电机组）进行功率支援，辅助传统的能源进行区域间的频率调节。研究过程中通过文献研究法，搜索相关文献资料，对课题相关内容记性研究总结，初步建立起本研究框架；其次通过建模仿真法，构建多能互补发电系统模型，通过实验仿真进行频率控制。研究手段：（1）在学校图书馆中有良好的资料库，如CNKI、万方、维普等期刊、杂志，网络配套资源健全，拥有全文数据库以及国务院发展研究中心信息网等，英文期刊诸如ABI/INFORM等，还有SCI、SSCI、EI等数据库检索系统，能够根据研究需要便捷地搜索和下载与本课题相关的最新中英文资料，为课题研究提供了充分详尽的理论资源。（2）在学校学习了与课题相关的各项专业课程，已经具备了完成课题研究所需要的相关专业知识。（3）在指导老师的悉心指导下，运用专业知识及相关的科学研究方法，通过自身努力，严格按照论文写作阶段计划执行，不断修改和完善文章的内容，确保文章的写作顺利地开展和完成。3、本课题的预期成果（1）在指导教师的带领下进行设计的后期工作，包括电网频率控制技术的分析、多能互补发电系统模型的构建，并完成对整个设计进行仿真分析，研究系统的可行性；（2）运用matlab软件进行多能互补发电系统模型仿真分析；（3）最终完成多能互补发电系统频率的控制仿真分析过程。任务完成的阶段安排及时间安排周次设计（论文）任务及要求1-3收集论文所需资料，分析原始资料，毕业实习4方案论证，准备开题5-7分析总结电网频率控制技术8-9多能互补发电系统模型的构建10-13多能互补发电系统频率控制仿真分析14用matlab软件进行仿真实验15-16撰写毕业论文，准备答辩参考文献[1]颜伟，赵瑞锋，赵霞，等.自动发电控制中控制策略的研究发展综述[J].电力系统保护与控制，2013,41(8):149-155.[2]BekhoucheN.AutomaticgenerationcontrolbeforeandafterderegulationsystemtheoryinLFC[C].ProceedingsoftheIEEEWorldCongressonComputationalIntelligence,2004:321-323.[3]易宇琴.区域电网的AGC协调控制与优化方法[D].广东工业大学，2014,47-56.[4]周念成，付鹏武，王强钢，等.基于模型预测控制的两区域互联电网AGC系统研究[J].电力系统保护与控制，2012,40(22):46-51.[5]王玮.CPS标准下的AGC控制策略比较研究[D].大连理工大学，2005,21-45.[6]高宗和，滕贤亮，张小白.互联电网CPS标准下的自动发电控制策略[J].电力系统自动化，2005,29(19):40-44.[7]李挺.CPS标准下的AGC控制策略研究[D].西华大学，2012,23-25.[8]任广宇.CPS标准下动态调整频率偏差系数的自动发电控制[D].华中科技大学，2006,34-41.[9]GaoSP.OptimizationsofPIDgainsbyparticleswamoptimizationsinfuzzybasedautomaticgenerationcontrol[J].ElectricPowerSystemsResearch,2004,93(2):203-212.[10]王松岩，于继来.含大规模风电系统的非AGC与AGC机组高峰协调控制策略[J].中国电力工程学报，2013,33(7):156-164.[11]汤涌.电力系统数字仿真技术的现状与发展[J].电力系统自动化，2002,26(17):66-70.[12]周博.电力系统频率控制中的负荷建模与应用[D].华北电力大学，2013,8-17.[13]王宏宇，郭志忠，周逢权.汽轮发电机动态数学模型参数识别[J].继电器，2002,30(12):15-18.[14]张仰飞，鞠平.同步水轮发电机组的机械参数辨识[J].水电自动化与大坝监测，2006,30(1):8-10.[15]魏毅立，韩素贤，时盛志.风力发电系统中组合风速的建模及仿真[J].可再生能源，201028(2):18-20.[16]国家能源局:DL/T1235-2013.同步发电机原动机及其调节系统参数实测与建模导则[S].北京:中国标准出版社，2003年8月1号.[17]DeMelloFP,FeltesJW,LaskowskiTF,etal.Simulatingfastandslowdynamiceffectsinpowersystem[J].IEEEComputerApplicationsinPower,1992,5(3):33-38.[18]倪琳娜，罗吉，王少荣.含风电电力系统的频率控制[J].电工技术学报，2011,26(1):235-241.[19]付娅.含大规模风电的互联系统的负荷频率控制[D].北京交通大学，2012,19-24.[20]付媛，王毅，张祥宇，等.变速风电机组的惯性与一次调频特性分析及综合控制[J].中国电机工程学报，2014,34(27):4706-4716.[21]田汝冰，杨玉鹏，刘志武，等.风电机组参与电网一次调频的控制策略研究[J].黑龙江电力，2015,37(1):42-48.[22]邹贤求.变速恒频风电机组参与一次调频的控制方法研究[D].湖南大学，2010,4-32.[23]邹贤求，吴政球，陈波，等.变速