[论文解读] A Fully Controllable Power System - Concept for FACTS and HVDC Placement

Spyros Chatzivasileiadis, Göran Andersson|arXiv (Cornell University)|Jun 27, 2015

Power System Optimization and Stability参考文献 7被引用 3

一句话总结

本文提出一种利用FACTS和HVDC控制器实现完全可控的电力系统，以解耦市场调度与安全约束，从而消除重新调度成本。通过引入可变控向量及两种配置算法，确定了实现系统最小控制器数量——串联配置下接近nL−nB+1——并表明在理想条件下，最优配置可实现零“安全成本”的全系统控制。

ABSTRACT

This paper puts forward the vision of fully decoupling market operations from security considerations through controllable power flows. In "A Fully Controllable Power System", power system security is no longer dependent on the location of the power injection points. In the ideal case, this leads to the elimination of redispatching costs, which amount to several million dollars per year in large systems. This paper determines the upper and lower bounds for the number of controllable lines and number of controllers to achieve this decoupling in any system. It further introduces the notion of the controllability vector CV, which expresses the effect of any controller on the AC line flows. Based on two alternative definitions for controllability, two controller placement algorithms to maximize controllability are presented and their results are compared.

研究动机与目标

• 通过实现对交流线路潮流的完全控制，解耦电力系统中的市场运行与安全约束。
• 确定实现全系统可变控性所需的FACTS和HVDC控制器的理论最小数量。
• 开发并比较两种控制器配置算法，以在控制器数量有限的条件下最大化系统可变控性。
• 引入可变控向量（CV）作为量化控制器对线路潮流影响的度量指标。
• 将框架扩展至TCSC和PST，表明其适用性不仅限于HVDC线路。

提出的方法

• 本文采用直流潮流近似和功率转移分布因子（PTDF）建模线路潮流，将其表示为母线注入与控制器设定点的线性函数。
• 将可变控向量（CV）定义为交流线路潮流对控制器有功注入的偏导数，量化其对所有线路的影响。
• 提出两种控制器配置算法：一种基于线性规划（LP）以最大化总潮流变化，另一种基于向量启发式方法，依赖CV幅值和功角（cosφ）约束。
• LP方法在给定控制动作限制（ΔPc ≤ p）下优化线路潮流的绝对变化最大值，而向量方法则采用贪心策略选择高影响力位置。
• 通过将TCSC和PST的影响建模为线路潮流对电抗（xij）和相位移（δ）的导数，将框架扩展至TCSC和PST。
• 推导出理论边界：当控制器串联配置时，全可控线路的最大数量为nL−nB+1；当并联配置时，最大数量为nB−1。

实验结果

研究问题

• RQ1 实现任意电力系统全可控性所需的FACTS和HVDC控制器的最小数量是多少？
• RQ2 如何在控制器数量有限的条件下优化控制器配置，以最大化全系统可变控性？
• RQ3 基于绝对潮流变化与向量幅值的不同可变控性定义，对控制器配置结果有何影响？
• RQ4 运行方式和发电机成本如何影响实现全可控系统的可行性与成本效益？
• RQ5 所提出的框架能否扩展至其他柔性交流输电系统（FACTS）设备，如TCSC和PST？

主要发现

• 当控制器串联配置时，全可控交流线路数量的理论上限为nL−nB+1；当并联配置时，上限为nB−1。
• 实现全可控性所需的最小控制器数量在串联配置下为nL−nB+1，在并联配置下为nB−1。
• 基于向量的控制器配置算法在计算时间显著减少的情况下，实现了与LP方法相当的结果，但需对启发式参数（如cosφ限制）进行仔细校准。
• 将两条HVDC线路并联配置不会增加额外控制能力，因为仅增加一个自由度，导致不可行解。
• 可变控向量（CV）能有效量化每个控制器对所有交流线路潮流的影响，从而实现系统化的配置优化。
• 对于TCSC和PST，CV框架可进行适配，但敏感度向量依赖于系统运行点，需在多点进行评估以实现稳健配置。