微网频率动态稳定性控制策略研究文献综述
2020-04-29 06:04
| (1)研究背景 随着社会发展和科技进步，能源是当今人们赖以生存和发展的基础。其中电能作为一种最为清洁便利的能源形式成为了国民经济的命脉。传统的化石能源如石油、煤炭等日趋枯竭，而核电由于存在安全隐患，发展也受到了限制，所以为满足日益增长的电能需求，世界各国都把目标转向了太阳能、风能等可再生能源。另外，传统电力系统是以“大机组、大电厂和大电网”为主要特征的集中式单一供电系统，随着经济发展和社会进步，运行情况、电能质量以及供电可靠性等方面的弊端也逐步显现。因此，未来电力系统的发展必将面临电能来源以及电能传输这两大核心问题。 以可再生能源为主的分布式发电技术因其投资省、发电方式灵活、与环境友好兼容等优点得到了快速发展。分布式发电尽管优点突出，但分布式电源接入电网后引起的众多问题往往会限制分布式发电技术的广泛应用。为协调大电网和分布式电源之间的矛盾，充分挖掘分布式发电为电网和用户带来的价值，微电网的概念应运而生。微电网是将分布式电源、负荷、储能装置及控制装置结合起来作为一个网中网，它既可以并网运行，又可以在主网发生故障或其他状况下与主网断开而孤岛运行。 微电网与传统大电网最大的区别就在于电源形式的不同，微电源由于其自身特点以及控制方式使得所表现出的工频特性也不同于传统电源。如何通过对微电网中的多个微电源进行合理有效的协调控制，使得微电网在不同运行模式下都能保持系统频率的安全稳定运行成为了微电网频率问题研究的一个难点。在并网模式下，由于大电网足够坚强，微电网的频率一般都能保持稳定。但在孤岛运行模式下，微电网就失去了大电网的有力支撑，再加上多数微电源以及储能设备都是通过电力电子接口接入系统的，使得微电网系统的惯性很小，从而造成在扰动发生后系统频率快速变化。另外，光伏发电、风力发电等可再生能源出力以及用户负荷都具有多变的特点，因此微电网在孤岛运行模式下的频率控制有一定困难。 造成微电网系统频率波动的主要原因是微电网内部源荷间有功功率供需不平衡，尤其是可再生能源具有间歇性、随机性的特点，使得系统中的大多数微电源成为波动性较强的电源。本次设计就是基于目前微电网频率稳定及控制问题作为国内外电气领域的研究热点而提出的，旨在探讨通过合理的控制手段使得具有有功调节能力的微电源之间合理协调有功出力关系，保证微电网系统的频率稳定在规定的范围之内，为我国分布式发电与微电网工程建设提供参考。 （2）国内外研究现状 近年来，微电网引起了世界能源专家和电力工业界的高度重视，目前，美国、日本、欧盟等许多国家和地区已投入巨资开展分布式发电与微电网领域相关技术研究，我国也正积极参与这一领域的研究工作。 美国在世界微电网的研究和实践中居于领先地位，拥有全球最多的微电网示范工程，数量超过200个，占全球微电网数量的50%左右。美国权威机构CERTS最早提出了微电网概念，CERTS在其微电网概念报告中，对微电网的主要思想和关键性技术问题进行了详细的描述，引入了使用电力电子技术的控制方法并形成了特色的对等控制思想，具有代表性的工程有2001年威斯康星大学麦蒂逊分校微电网示范工程，2005年北部电力微电网第一示范工程等。 日本是亚洲研究和建设微电网较早的国家，日本拥有全球最多的海岛独立电网，因此发展集成可再生能源的海岛微电网，替代成本高昂、污染严重的内燃机发电是日本微电网发展的重要方向和特点。 欧洲1998年就开始对微电网开展系统的研发活动。目前欧盟在微电网分布式电源模型建立、本地黑启动、基于代理的控制、孤岛互联等取得了一定的研究成果；相继建设了一批微电网示范工程，例如希腊基斯诺斯岛微电网示范工程、英国埃格岛微电网示范工程等。 我国虽然在微电网发展方面起步较晚，但由于微电网正好能解决我国电网规模过大、新能源整合效率低的问题，所以近年来我国相继在这一领域投入大量精力。许多高校以及科研机构陆续加入研究分布式发电以及微电网技术的行列，其中含风力、光伏发电、储能元件的多能源微电网系统的运行控制技术成为研究热点。“973”、“863”等国家科技项目开始大规模的推动微电网核心技术的开发与研究。浙江南麂岛微电网工程想要解决海岛电力供给难的问题，使得海岛在能源方面规划的更加合理，使其居民能够放心安全的用电，吐鲁番运用新能源来进行发电的这一微电网项目在我国已经正式开始进行了。 |
2. 研究的基本内容与方案
{title}一、研究内容
1. 收集国内外关于传统电网和微网频率控制相关的文献资料，分析总结两种网络频率稳定性控制策略的异同；
2. 建立由市电、多个柴油发电机组成的分布式微网系统数学模型；
3. 利用自动控制原理设计一种频率控制器，通过调整柴油机转速改变系统的分布式电源频率，以适应微网系统孤岛运行时发生的诸如负荷波动、开路等导致的系统频率的波动；
4. 模拟实际分布式发电系统的各种复杂工况，测试所设计的频率控制器的可行性和优越性。
二、技术方案及措施
第一步：查阅文献了解微网的分布式能源构成、各能源特性、频率调整原理等发展历史、现状及趋势，理解微网频率控制系统复杂工程问题解决方案的设计。
第二步：构建由市电、柴油发电机组成的分布式微网系统的物理模型，根据电机学原理可得出同步发电机、励磁装置和涡轮调速器的动态微分方程。根据同步机发电机双轴模型的动态等效电路应用基尔霍夫电压定律（KVL）可得到定子代数方程。根据同步电机动态电路与网络其余部分的互连可得到发电机母线和负载母线上的网络方程从而建立相应的数学模型。
第三步：根据自动控制原理设计一种微网频率控制器，它是一种二次频率控制器，用于改善频率曲线，使其能够满足频率恒定且使同步发电机保持恒定转速。我们引入PI控制模块以控制频率的变化。微网频率控制器输入的是频率偏差，频率偏差是通过对各个负载总线的频率偏差进行加权平均来计算的，权重因子根据负载母线的重要性和性质而定义。针对各种网络干扰，我们需研究并网运行模式下和孤岛模式下微网频率控制器的有效性。
第四步：在MATLAB中模拟运行在微电网上分布式发电系统的三种干扰：开路，负载波动和三相短路。对于上述干扰，在有或没有微网频率控制器的情况下进行仿真，观察负载母线的有功功率和频率变化以测试微网频率控制器的可行性和优越性。
第五步：基于仿真结果得出结论，讨论设计的局限性以及可进行的深入研究以适用于不同类型的分布式电源和动态控制器的设计。
最后，完成毕业论文的撰写和完善。3. 参考文献[1] 陈金元, 李相俊, 谢巍. 基于H∞混合灵敏度的微电网频率控制[J]. 电网技术, 2014, 38(9):2399-2403.
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