[论文解读] Regression-based Inverter Control for Decentralized Optimal Power Flow and Voltage Regulation

Oscar Sondermeijer, Roel Dobbe+3 more|arXiv (Cornell University)|Feb 20, 2019

Optimal Power Flow Distribution参考文献 3被引用 33

一句话总结

本论文提出一种数据驱动、完全去中心化的方法，使用回归将本地逆变器测量映射到近似最优的无功注入，实现无实时通信的接近最优 OPF 风格性能。它演示了与现有设备的协调能力以及平抑电压和降低损耗的潜力。

ABSTRACT

Electronic power inverters are capable of quickly delivering reactive power to maintain customer voltages within operating tolerances and to reduce system losses in distribution grids. This paper proposes a systematic and data-driven approach to determine reactive power inverter output as a function of local measurements in a manner that obtains near optimal results. First, we use a network model and historic load and generation data and do optimal power flow to compute globally optimal reactive power injections for all controllable inverters in the network. Subsequently, we use regression to find a function for each inverter that maps its local historical data to an approximation of its optimal reactive power injection. The resulting functions then serve as decentralized controllers in the participating inverters to predict the optimal injection based on a new local measurements. The method achieves near-optimal results when performing voltage- and capacity-constrained loss minimization and voltage flattening, and allows for an efficient volt-VAR optimization (VVO) scheme in which legacy control equipment collaborates with existing inverters to facilitate safe operation of distribution networks with higher levels of distributed generation.

研究动机与目标

• 在高分布式发电的配电网中动机电压调节挑战
• 提出一个去中心化控制框架，利用本地数据计算接近最优的逆变器无功注入
• 利用离线 OPF 与回归设计本地控制器，无需实时通信
• 展示与现有设备（LTC、电容组）协同潜力并评估性能
• 在现实供电线路的案例中验证近似最优性与协同能力

提出的方法

• 通过对 N 个历史情景使用凸 OPF 计算所有逆变器的全局最优无功注入
• 对每个逆变器，拟合一个多元线性回归，将本地观测映射到其最优无功注入
• 使用逐步选择挑选能够提高预测质量的预测性本地变量及交互项
• 将得到的回归模型实现为去中心化控制器，仅依赖本地观测
• 在仿真中与三种基线进行对比评估：无 VAR、恒定功率因数操作、基于回归的控制
• 证明与变电站 LTC 的协同潜力，以平抑电压并安全降低整体电压

实验结果

研究问题

• RQ1 回归型本地控制器能否再现由集中 OPF 获得的近似最优无功注入？
• RQ2 回归模型在多样化负载/发电情景下预测最优逆变器注入的准确性如何？
• RQ3 去中心化控制器能否在无实时通信的情况下维持电压在约束范围内并降低损耗？
• RQ4 在使用回归型逆变器控制时，和变电站 LTC 协同对电压与损耗有何影响？

主要发现

• 回归驱动的方法在目标函数值上接近最优，最大偏差为 1.6%，平均偏差为 0.15%。
• 方案 c（基于回归的控制）在整个测试期内相对于无 VAR 或恒定功率因数操作表现更好。
• 回归方法显著降低了变电站无功注入，表明本地从 PV 逆变器获取无功并改善变电站功率因数。
• 在回归控制下，线路两端电压仍接近名义值，且电压波动性较基线更低。
• 与负载分接开关（LTC）协同可在保持电压稳定与降低损耗的同时进一步降低整条 feeder 的电压。
• 逆变器 A 和 B 展现出不同的预测特征，说明需要针对逆变器的回归模型。