[论文解读] Aggregate Power Flexibility in Unbalanced Distribution Systems

Xin Chen, Emiliano Dall’Anese+2 more|arXiv (Cornell University)|Dec 14, 2018

Smart Grid Energy Management参考文献 25被引用 7

一句话总结

本文提出一种方法，通过推导变电站处净功率注入的近似可行区域，对三相不对称配电网中的综合功率灵活性进行建模与量化，确保该区域内的任意轨迹均可在分布式能源资源（DERs）上实现可行的分解。该方法利用凸松弛和分布式模型预测控制（MPC），在满足网络约束和多相不对称建模的前提下，实现可扩展、安全且协调的输配电交互。

ABSTRACT

With a large-scale integration of distributed energy resources (DERs), distribution systems are expected to be capable of providing capacity support for the transmission grid. To effectively harness the collective flexibility from massive DER devices, this paper studies distribution-level power aggregation strategies for transmission-distribution interaction. In particular, this paper proposes a method to model and quantify the aggregate power flexibility, i.e., the net power injection achievable at the substation, in unbalanced distribution systems over time. Incorporating the network constraints and multi-phase unbalanced modeling, the proposed method obtains an effective approximate feasible region of the net power injection. For any aggregate power trajectory within this region, it is proved that there exists a feasible disaggregation solution. In addition, a distributed model predictive control (MPC) framework is developed for the practical implementation of the transmission-distribution interaction. At last, we demonstrate the performances of the proposed method via numerical tests on a real-world distribution feeder with 126 multi-phase nodes.

研究动机与目标

• 解决在不对称配电网中协调大规模、异构分布式能源资源（DERs）的挑战，以实现其在输电网运行中的主动参与。
• 在考虑网络约束和三相不对称潮流的前提下，将配电网的集体功率灵活性量化为变电站处净功率注入的近似可行区域。
• 确保在所推导的可行区域内，任意综合功率轨迹均可分解为对单个DER（包括光伏、储能和可控负荷）的可行调度。
• 开发一种分布式模型预测控制（MPC）框架，以实现输配电协调在实际场景中的实时应用。
• 在真实世界126节点、多相配电网馈线中验证该方法，以展示其在真实运行约束下的可扩展性和可行性。

提出的方法

• 构建一个包含网络约束（电压、线路电流限制）、DER能力（光伏、储能、可控负荷）以及HVAC温度动态的多时段、三相最优潮流模型。
• 对交流潮流方程应用凸松弛，将非凸、非线性约束转化为凸约束，从而实现对综合灵活性区域的可计算性。
• 将综合功率灵活性区域定义为变电站处所有可行净有功功率注入的集合，其边界由求解两个独立优化问题所得的下限和上限轨迹确定。
• 通过两个极端可行轨迹（下限和上限）的仿射组合构造凸可行区域，确保中间点的凸性和可行性。
• 引入一种分布式MPC框架，通过求解局部优化子问题并在尊重全局系统约束的前提下，实现实时DER协调。
• 采用时间解耦的网络约束和时间耦合约束（如储能荷电状态和HVAC温度限制）的公式化，确保在时域范围内具有递归可行性并满足约束条件。

实验结果

研究问题

• RQ1 在考虑网络约束和多相不对称运行的前提下，如何对三相不对称配电网的综合功率灵活性进行量化与建模？
• RQ2 变电站处净功率注入的可行区域具有何种结构，可保证该区域内任意轨迹均存在可行的分解？
• RQ3 能否设计一种分布式优化框架，以实现实时、可扩展的多样化DER协调，同时满足系统安全与运行限制？
• RQ4 所提出的方法如何确保在所推导的可行区域内，任意综合功率轨迹均可在单个DER上实现可行分解？
• RQ5 该方法在真实世界不对称配电网馈线中的可行性、可扩展性和计算可处理性表现如何？

主要发现

• 所提方法构建了一个凸的、近似的变电站净有功功率注入可行区域，确保该区域内任意轨迹均可实现为对单个DER调度的可行分解。
• 通过两个极端可行解（下限和上限）的凸组合，证明了任意中间综合轨迹的可行性，同时保持所有网络和设备约束的满足。
• 通过凸松弛和仿射参数化，该方法保证了时间耦合约束（如储能荷电状态限制和HVAC温度约束）的满足。
• 在真实世界126节点、多相配电网馈线上的数值测试表明，该方法能够有效处理复杂的不对称系统动态，并在多样化运行场景中保持可行性。
• 分布式MPC框架实现了无需集中掌握所有系统变量的可扩展、实时DER协调，提升了隐私保护和计算效率。
• 该方法有效捕捉了异构DER（光伏、储能、可控负荷、HVAC）在不对称系统中的集体灵活性，使配电网能够主动参与输电网运行。