[论文解读] A Composable Method for Real-Time Control of Active Distribution Networks with Explicit Power Setpoints

Andrey Bernstein, Lorenzo Reyes-Chamorro+2 more|arXiv (Cornell University)|Mar 7, 2014

Microgrid Control and Optimization参考文献 12被引用 25

一句话总结

本文提出了一种可组合的、去中心化的框架，用于使用显式有功/无功功率设定值对主动配电网进行实时控制。通过将分布式资源建模为通过信任函数和虚拟成本进行协商的软件代理，该方法实现了可扩展的分层优化，即使在网络条件不确定的情况下，也能保持潮流可行性和电压稳定性。

ABSTRACT

The conventional approach for the control of distribution networks, in the presence of active generation and/or controllable loads and storage, involves a combination of both frequency and voltage regulation at different time scales. With the increased penetration of stochastic resources, distributed generation and demand response, this approach shows severe limitations in both the optimal and feasible operation of these networks, as well as in the aggregation of the network resources for upper-layer power systems. An alternative approach is to directly control the targeted grid by defining explicit and real-time setpoints for active/reactive power absorptions/injections defined by a solution of a specific optimization problem; but this quickly becomes intractable when systems get large or diverse. In this paper, we address this problem and propose a method for the explicit control of the grid status, based on a common abstract model characterized by the main property of being composable. That is to say, subsystems can be aggregated into virtual devices that hide their internal complexity. Thus the proposed method can easily cope with systems of any size or complexity. The framework is presented in this Part I, whilst in Part II we illustrate its application to a CIGRÉ low voltage benchmark microgrid. In particular, we provide implementation examples with respect to typical devices connected to distribution networks and evaluate of the performance and benefits of the proposed control framework.

研究动机与目标

• 解决在高渗透率分布式能源资源背景下，传统分层频率和电压控制在主动配电网中的局限性。
• 通过实现对多样化、异构电网组件的去中心化、可组合控制，克服集中式优化中的可扩展性问题。
• 提供一种实时控制框架，显式设定有功和无功功率注入，同时确保潮流可行性和电压调节。
• 实现分布式资源的聚合，形成虚拟设备，而无需暴露内部复杂性，支持模块化和可扩展的系统设计。
• 通过基于信任函数的估计和近似技术，确保对网络参数以及负荷/发电预测不确定性的鲁棒性。

提出的方法

• 将每个分布式资源（例如，DG、储能、可调节负荷）建模为资源代理（RA），其发布关于可能功率注入的虚拟成本函数和信任函数。
• 在每个网络节点使用一个电网代理（GA）求解集中式优化问题，以最小化总成本加上电气状态不可行性的惩罚，受潮流约束限制。
• 实施一种可组合的架构，通过信任函数将子系统聚合为虚拟设备，实现在无需完整系统知识的情况下进行分层控制。
• 应用聚合信任函数的凸近似，以实现实时计算，同时保持可行性保证。
• 使用诺顿等效阻抗模型估计公共耦合点（PCC）的功率流，实现具有全局一致性的本地优化。
• 引入惩罚函数 J(u)，通过惩罚电压和潮流限值的偏差来强制实现可行性。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何在不确定性条件下，通过显式功率设定值实现实时控制，同时保持系统可行性？
• RQ2 是否可以设计一种去中心化、可组合的控制框架，使其能够扩展至大规模、异构的配电网，而无需完整系统可观测性？
• RQ3 信任函数近似对分层控制架构中聚合功率设定值的准确性与可行性有何影响？
• RQ4 与传统的分层频率和电压控制相比，所提出方法在运行成本和电压调节方面表现如何？
• RQ5 在不损害控制性能或系统稳定性的情况下，分布式资源在多大程度上可以被聚合为虚拟设备？

主要发现

• 所提出的框架通过显式功率设定值实现了主动配电网的实时、去中心化控制，与集中式优化相比显著提升了可扩展性。
• 可组合架构允许子系统被聚合为隐藏内部复杂性的虚拟设备，从而实现模块化设计和新资源的即插即用集成。
• 使用信任函数和虚拟成本可确保在电网参数和预测存在不确定性时，仍能选择可行的功率设定值。
• 对聚合信任函数的近似实现了对精确聚合配置的 δ-近似，其中 δ 受负载估计误差最大范数的有界限制。
• 该框架保证凸组合中任何可行解集合内的设定值均为可接受，确保优化始终在运行极限范围内。
• 通过嵌入惩罚函数强制对 PCC 功率流的约束，该方法在全网络范围内保持了电压和潮流的可行性。