[论文解读] Frequency-driven market mechanisms for optimal dispatch in power networks

Tjerk Stegink, Ashish Cherukuri+3 more|arXiv (Cornell University)|Dec 30, 2017

Electric Power System Optimization参考文献 10被引用 5

一句话总结

本文提出了一种基于频率驱动的连续时间市场机制，将实时竞价与电力系统频率动态相结合，使竞争性发电机组能够在确保最优经济调度和频率调节的同时，参与电力生产竞价。通过在伯特兰德博弈框架中使用本地频率偏差作为反馈信号，该系统可证明收敛至具有零频率偏差和最小总发电成本的高效纳什均衡。

ABSTRACT

This paper studies real-time bidding mechanisms for economic dispatch and frequency regulation in electrical power networks. We consider a market administered by an independent system operator (ISO) where a group of strategic generators participate in a Bertrand game of competition. Generators bid prices at which they are willing to produce electricity. Each generator aims to maximize their profit, while the ISO seeks to minimize the total generation cost and to regulate the frequency of the system. We consider a continuous-time bidding process coupled with the swing dynamics of the network through the use of frequency as a feedback signal for the negotiation process. We analyze the stability of the resulting interconnected system, establishing frequency regulation and the convergence to a Nash equilibrium and optimal generation levels. The results are verified in the IEEE 14-bus benchmark case.

研究动机与目标

• 解决在不损害频率稳定性或经济效率的前提下，将间歇性可再生能源接入电力系统的挑战。
• 克服传统分层控制的局限性，将实时市场出清与一次调频相结合。
• 使战略型发电机组能够在动态市场中作为价格制定者参与，同时确保收敛至成本最优的发电水平。
• 确保竞价过程尊重物理约束，如出清价格的非负性与发电功率限制。
• 在快速变化的网络条件下，为互联系统的稳定性与收敛性提供理论保证。

提出的方法

• 构建一种连续时间竞价过程，使发电机组根据当前系统运行机构（ISO）设定的功率水平及利润激励调整其出价。
• 将系统运行机构（ISO）的角色建模为一个优化问题，以最小化总支付成本，同时满足功率平衡与频率调节要求。
• 利用频率偏差作为反馈信号，将竞价动态与电力网络的功角动态相耦合。
• 采用投影微分系统以强制实施出价与发电水平的非负性约束。
• 应用互补系统不变性原理，证明系统可局部收敛至高效纳什均衡。
• 实施一种混合控制方案，其中系统运行机构根据实时频率测量值与出价信息更新发电设定点。

实验结果

研究问题

• RQ1 基于频率反馈的连续时间市场机制是否能在电力网络中同时实现最优经济调度与稳定的频率调节？
• RQ2 在竞价过程中引入频率作为反馈信号，对收敛速度与瞬态性能有何影响？
• RQ3 在何种条件下，发电机组之间的所提出的伯特兰德博弈可收敛至对应最优功率调度的高效纳什均衡？
• RQ4 动态负荷与成本函数变化对市场驱动调度机制的稳定性与收敛性有何影响？
• RQ5 与无反馈竞价相比，所提出的方案在瞬态频率响应与系统鲁棒性方面表现如何？

主要发现

• 互联系统收敛至高效纳什均衡，此时总发电成本最小化且频率偏差为零。
• 在IEEE 14节点系统上的数值仿真表明，即使在负载或成本函数突然变化后，系统仍能快速收敛至最优发电水平。
• 在引入频率反馈（σ=300）的情况下，系统表现出更优的瞬态频率响应，超调量与振荡更小，优于无反馈情况（σ=0）。
• 在节点3、6和8处成本降低后，总发电成本从9711美元/小时降至8540美元/小时，证实了在动态条件下仍具备成本效率。
• 在所有测试场景下，系统均保持可行性与稳定性，出价与发电水平在整个过程中始终满足非负性约束。
• 通过投影微分系统的不变性原理，可保证系统在局部范围内收敛，确保对扰动与模型不确定性的鲁棒性。