開題報告表課題名稱多能互補發電系統頻率控制仿真與分析課題來源課題類型指導教師學生姓名學號專業課題的意義以及國內外發展狀況1、課題的意義隨著社會經濟的快速發展，人們對能源的需求越來越高，不僅要有足夠的能量，而且還必須保證能量供應時安全可靠。當前社會所需要的能量很大一部分是以電能的形式提供，而且電能消耗占總能量消耗的比重將會越來越高。然而我國能源分布極其不平衡，煤炭資源主要集中在西北地區，水能資源主要集中在西南地區，能源消耗卻主要集中在經濟發達的華東、華中和華南地區以及沿海地區，這就導致能源供應與需求出現地域性差異。不僅如此，如果仍以發展燃煤為主的傳統化石能源，進行區域性供熱供電，會造成大氣污染，給城市帶來嚴重的霧霆問題，增加環境負擔，這與中國提倡的可持續發展相違背。為了解決上述問題，加大開發西部地區豐富的水能、風能、光能等清潔能源，可以在保護環境的情況下，提高社會經濟發展對電力的需求。這就需要通過電網的互聯進行遠距離輸電，解決供給與需求的平衡，增強電力系統的安全性和可靠性。因此，“西電東送”是我國電力系統發展的重要戰略；“南北互供”是我國互聯電網發展的保證手段?？紤]到傳統化石資源有限和環境污染越來越嚴重，開發可再生的清潔能源成為解決問題的關鍵之一，其中，風電能源具有可再生、無污染、效益好等優點受到了各個國家的廣泛關注。目前，世界各國都加大了對風力發電的研究，風電產業得到了巨大發展，且風力發電占各類能源總發電量的比例也越來越高，但無論是獨立的風電場還是傳統的區域性電網，當負荷發生擾動時，延時性會導致系統供需之間的不平衡，使電網頻率發生波動，頻率偏差過大會對電力系統的運行造成危害，影響電網的安全。頻率是衡量電能質量的三大指標之一，電力系統運行時，必須將頻率控制在額定值附近的允許范圍內，為了維持頻率的穩定，確保發電與負荷的平衡，需要對產生和消耗的有功功率進行控制。電力系統頻率是發電功率與用電負荷共同決定，當發電輸出功率與負荷消耗功率相等時，系統頻率穩定；當發電輸出功率大于負荷消耗功率時，頻率升高；當發電輸出功率小于負荷消耗功率時，頻率降低。我國電力系統的額定頻率為50Hz，運行時所允許的偏移量為±0.2~±0.5Hz。頻率一旦超出允許的范圍時，不僅會降低電能質量，給工業生產、居民生活帶來不便，還會影響用電設備的使用壽命，嚴重時甚至會危及電力系統運行的安全，導致整個電網發生崩潰瓦解，造成不可估量的經濟損失。所以，為了維持電力系統頻率在正常范圍內，通常需要進行頻率調節，特別對互聯性電網需要進行自動發電控制。當電力系統發生故障時，發電機組會根據負荷的變化而改變輸出功率，由于機械慣性響應存在時間延遲，會引起系統的頻率發生波動。各控制區可以通過本區域發電出力進行功率的相互支援，從而提高系統的可靠性、安全性及穩定性。多能互補發電是互聯電力系統的發展趨勢，它將各個控制區之間用聯絡線進行連接，所以控制區之間的聯絡線潮流控制構成了電網頻率控制的關鍵環節，其實質意義在于落線口子潮流變化引起的頻率變化，實際上反映了某個控制區挪用了其他控制區的電能，并將運行安全風險轉移至其他控制區。電力系統的頻率恢復需要通過互聯電網中各個組成部分協調控制來完成，為了快速有效地使頻率恢復到正常值，可以考慮將風電加入互聯電力系統中進行頻率的調節。傳統的風電機組采用變頻器控制，容易使機組轉子的轉速與電網解禍，沒有很好的頻率響應特性。為了使風電機組具有像火電機組或水電機組那樣的頻率響應特性和調頻能力，本文采用雙饋風電機組，通過調整轉子里的旋轉動能，改進其慣性控制策略來參與互聯系統的頻率調節。這樣，能使風電機組具有良好的調頻特性，參與互聯電網的功率支援與頻率調節。在仿真過程中，通過對比傳統單區域的一次、二次調頻，分析加入風電后進行互聯的調頻效果，提出了利用風電作為輔助頻率調節，支援傳統能源進行電網的頻率控制（無風時用水電進行功率支援），其中用了三種區域性頻率控制策略，提高風電機組參與電網頻率調節能力。2、國內外發展狀況電網的頻率控制技術自從電力工業革命開始就不斷發展，特別是近代，隨著計算機、自動控制等技術的成熟，電力系統的頻率控制也更加自動化和智能化。國內外對電網頻率控制技術的研究也從未停止，圍繞多能互補發電系統的頻率控制進行研究，主要包括如下幾個方面：（1）自動發電控制的相關研究近年來，對自動發電控制相關問題的研究一直沒有間斷。顏偉等學者主要分析了自動發電控制的策略及其發展情況；Bekhouche學者針對在負荷頻率控制系統下，自動發電控制的技術特點；易宇琴主要研究電網的AGC協調控制與優化方法，其中對水、火機組的自動發電進行了協調控制及調節性能分析；周念成等學者主要是基于模型預測控制，對兩區域互聯電網的AGC系統進行研究；王瑋、高宗和、李挺以及任廣宇在CPS評價標準下，對AGC的控制策略及頻率偏差系數進行研究；Gao主要是增加PID控制，對自動發電控制進行優化；王松巖是考慮風電接入系統后，對其中非AGC與AGC機組協調控制策略的研究。綜上所述，目前對自動發電控制相關問題的研究是從整個互聯電力系統的基礎上進行的，由于互聯能源的不同，所以可以對風力接入傳統能源系統進行進一步研究。（2）互聯電網建模的相關研究組成電力系統的各個部分有著自己的結構、原理、特性等，這些特點給電力系統建模帶來了諸多困難。湯涌主要針對電力系統而言，討論了其數字仿真技術的現狀與發展；周博主要對電力系統頻率控制中的負荷進行建模與應用討論；王宏宇對汽輪發電機進行研究，建立其動態數學模型；張仰飛是對同步水輪發電機進行研究，主要分析其機械參數辨識；魏毅立對風力發電系統進行研究，對風速進行了數學建模；國家能源局提對同步發電機原動機及其調節系統參數實測與建模標準的介紹；DeMello對電力系統快速與慢速動態影響的仿真。綜上所述，要想實現風電接入電網，與傳統能源進行互聯，必須要對互聯電網各個部分進行建模仿真，所以研究相關模型建立具有非常重要的意義。（3）風電機組頻率控制的相關研究針對風電機組對傳統能源進行功率支援及輔助調頻控制，國內外學者對其進行了深入的研究。倪琳娜、付婭主要是對含有風電電力系統頻率控制的研究；文獻田汝冰、鄒賢求、吳政球主要是研究風電機組參與電網一次調頻，包括對變速風電機組和恒速風電機組進行研究；葉鵬、張昭遂、李燦、趙晶晶、朱曉榮主要是研究雙饋風電機組通過變槳距和變速協調控制頻率，在多種情況下，利用虛擬慣性進行頻率控制；Jose主要是對風電場自動發電控制的研究。綜上所述，研究風電機組本身的結構以及控制方法對風電接入電力系統進行頻率控制，具有非常重要的價值。本課題的研究內容、方法、手段及預期成果1、本課題的研究內容（1）圍繞多能互補發電系統及互聯電網頻率控制進行闡述，提出國內外各類文獻在其相關領域的研究情況。（2）簡單介紹了電網的頻率控制，重點分析了負荷，發電機組及電力系統的有功功率一頻率的靜態特性，闡述了自動發電控制技術，對一次調頻、二次調頻、三次調頻分別進行了描述，并對一次調頻和二次調頻的模型進行建立和分析。（3）主要對互聯電網中各個部分進行數學建模，分別對發電機、負荷、發電機一負荷、火電機組調速器與原動機、水電機組調速器與原動機的原理結構進行分析，推導其傳遞函數，建立簡化的數學仿真模型。重點分析了風電機組的調頻方式，改進其頻率控制的慣性環節，建立數學模型。最后，為了將風電區域接入到含有傳統機組的控制區，對區域間的聯絡線進行了數學模型搭建。（4）根據互聯電網中各個部分的數學模型，設計并搭建了含有風電區域的多能互補發電系統數學模型，采用MATLAB中的Simulink仿真軟件部分對其頻率控制進行仿真。2、本課題的研究方法與手段研究方法：本文是以風電作為新型能源角色，對傳統能源控制區（具有火電、水電發電機組）進行功率支援，輔助傳統的能源進行區域間的頻率調節。研究過程中通過文獻研究法，搜索相關文獻資料，對課題相關內容記性研究總結，初步建立起本研究框架；其次通過建模仿真法，構建多能互補發電系統模型，通過實驗仿真進行頻率控制。研究手段：（1）在學校圖書館中有良好的資料庫，如CNKI、萬方、維普等期刊、雜志，網絡配套資源健全，擁有全文數據庫以及國務院發展研究中心信息網等，英文期刊諸如ABI/INFORM等，還有SCI、SSCI、EI等數據庫檢索系統，能夠根據研究需要便捷地搜索和下載與本課題相關的最新中英文資料，為課題研究提供了充分詳盡的理論資源。（2）在學校學習了與課題相關的各項專業課程，已經具備了完成課題研究所需要的相關專業知識。（3）在指導老師的悉心指導下，運用專業知識及相關的科學研究方法，通過自身努力，嚴格按照論文寫作階段計劃執行，不斷修改和完善文章的內容，確保文章的寫作順利地開展和完成。3、本課題的預期成果（1）在指導教師的帶領下進行設計的后期工作，包括電網頻率控制技術的分析、多能互補發電系統模型的構建，并完成對整個設計進行仿真分析，研究系統的可行性；（2）運用matlab軟件進行多能互補發電系統模型仿真分析；（3）最終完成多能互補發電系統頻率的控制仿真分析過程。任務完成的階段安排及時間安排周次設計（論文）任務及要求1-3收集論文所需資料，分析原始資料，畢業實習4方案論證，準備開題5-7分析總結電網頻率控制技術8-9多能互補發電系統模型的構建10-13多能互補發電系統頻率控制仿真分析14用matlab軟件進行仿真實驗15-16撰寫畢業論文，準備答辯參考文獻[1]顏偉，趙瑞鋒，趙霞，等.自動發電控制中控制策略的研究發展綜述[J].電力系統保護與控制，2013,41(8):149-155.[2]BekhoucheN.AutomaticgenerationcontrolbeforeandafterderegulationsystemtheoryinLFC[C].ProceedingsoftheIEEEWorldCongressonComputationalIntelligence,2004:321-323.[3]易宇琴.區域電網的AGC協調控制與優化方法[D].廣東工業大學，2014,47-56.[4]周念成，付鵬武，王強鋼，等.基于模型預測控制的兩區域互聯電網AGC系統研究[J].電力系統保護與控制，2012,40(22):46-51.[5]王瑋.CPS標準下的AGC控制策略比較研究[D].大連理工大學，2005,21-45.[6]高宗和，滕賢亮，張小白.互聯電網CPS標準下的自動發電控制策略[J].電力系統自動化，2005,29(19):40-44.[7]李挺.CPS標準下的AGC控制策略研究[D].西華大學，2012,23-25.[8]任廣宇.CPS標準下動態調整頻率偏差系數的自動發電控制[D].華中科技大學，2006,34-41.[9]GaoSP.OptimizationsofPIDgainsbyparticleswamoptimizationsinfuzzybasedautomaticgenerationcontrol[J].ElectricPowerSystemsResearch,2004,93(2):203-212.[10]王松巖，于繼來.含大規模風電系統的非AGC與AGC機組高峰協調控制策略[J].中國電力工程學報，2013,33(7):156-164.[11]湯涌.電力系統數字仿真技術的現狀與發展[J].電力系統自動化，2002,26(17):66-70.[12]周博.電力系統頻率控制中的負荷建模與應用[D].華北電力大學，2013,8-17.[13]王宏宇，郭志忠，周逢權.汽輪發電機動態數學模型參數識別[J].繼電器，2002,30(12):15-18.[14]張仰飛，鞠平.同步水輪發電機組的機械參數辨識[J].水電自動化與大壩監測，2006,30(1):8-10.[15]魏毅立，韓素賢，時盛志.風力發電系統中組合風速的建模及仿真[J].可再生能源，201028(2):18-20.[16]國家能源局:DL/T1235-2013.同步發電機原動機及其調節系統參數實測與建模導則[S].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