[论文解读] Distributed Power Apportioning with Early Dispatch for Ancillary Services in Renewable Grids

Sourav Patel, Blake Lundstrom+2 more|arXiv (Cornell University)|Jul 22, 2020

Microgrid Control and Optimization参考文献 17被引用 4

一句话总结

本文提出了一种分布式有限时间一致性协议，用于协调数百个分布式能源资源（DERs）在高比例可再生能源接入的配电网中提供二次调频（SFR）。通过整合一种新颖的早期下发机制与棕色启动（brown start），该框架实现了快于现有技术水平的响应——初始下发时间低于5秒，上升时间在50秒内完成——同时优先考虑可再生能源发电，并在通信延迟和可再生能源输出波动下保持系统稳定。

ABSTRACT

This article develops a distributed framework for coordinating distributed energy resources (DERs) in a power network to provide secondary frequency response (SFR) as an ancillary service to the bulk power system. A distributed finite-time protocol-based solution is adopted that allows each DER in the network to determine power reference commands. The distributed protocol respects information exchange constraints posed by a communication network layer while being robust to delays in the communications channels. The proposed framework enables coordinated response and control of the aggregated DERs by apportioning the share of generation that each DER needs to provide towards meeting any specified global SFR command while allowing for adjustments due to variability in generation and demand in order to prioritize renewable energy sources in the network. A novel early dispatch mechanism with brown start is synthesized to achieve initial DER response to changing SFR commands that is faster than state-of-the-art distributed approaches. The proposed power apportioning protocol is validated using an end-to-end power hardware-in-the-loop configuration at a distribution system scale with 40+ physical hardware DERs, underlying 7-MW power system model, a 250-DER communication topology with physical and simulated distributed controller nodes, varied communication protocols, and an underlying real-world power system model. Experimental results demonstrate the efficacy of the proposed method toward distributed coordination of hundreds of DERs for providing fast response at SFR timescales.

研究动机与目标

• 解决高比例可再生能源渗透的配电网中，辅助服务协调集中式控制所面临的可扩展性与延迟限制问题。
• 在通信延迟和可再生能源发电波动的条件下，实现分布式能源资源（DERs）对二次调频（SFR）指令的快速、协调响应。
• 开发一种分布式功率分配协议，优先考虑可再生能源发电，同时确保准确及时地响应聚合器指令。
• 在具有有界通信延迟和动态发电能力的去中心化框架中，实现有限时间收敛与早期下发能力。

提出的方法

• 采用分布式有限时间比例一致性算法，根据全局SFR指令计算各DER的功率参考指令，确保在有界时间范围内收敛。
• 该协议尊重通信网络约束，并对DER之间消息交换中的有界延迟具有鲁棒性。
• 提出一种新颖的早期下发机制与棕色启动，通过在完全达成一致性之前预先计算可行的下发轨迹，实现对新指令的即时响应。
• 该框架根据实时发电与负荷条件动态分配DER之间的功率，优先考虑可再生能源（光伏PV与储能BESS），以最小化弃电。
• 系统在实时电力硬件在环（PHIL）测试平台中集成物理与仿真DER节点，包含7-MW电力系统模型与250个DER通信拓扑。
• 该算法在40多个物理DER与总共250个节点（包括真实与仿真控制器）上实现，支持多种通信协议。

实验结果

研究问题

• RQ1 基于一致性的分布式框架能否在具有有界通信延迟的大规模DER网络中实现有限时间收敛的功率分配？
• RQ2 在去中心化的DER协调系统中，如何实现早期下发以提升SFR服务的响应速度？
• RQ3 在不损害系统频率调节性能的前提下，分布式调度框架中可再生能源发电的优先程度可达到何种程度？
• RQ4 在真实世界通信延迟与发电波动条件下，采用所提出的早期下发与棕色启动机制的分布式DER网络，其可实现的上升响应时间是多少？
• RQ5 当聚合器指令或太阳辐照度发生突变时，所提出的框架如何维持电压稳定性和系统可靠性？

主要发现

• 所提出的框架实现了初始下发响应时间小于5秒，显著快于现有技术水平的分布式方法。
• 在指令变更后，聚合DER网络在21至44秒内达到稳态功率输出，满足SFR时间尺度要求。
• 在正常运行期间，二次馈线上的电压偏差保持在额定电压的±1%以内；在动态事件期间，偏差控制在±5%以内。
• 在高太阳辐照度期间，系统优先使用光伏发电，将储能BESS的出力降至零，最大限度减少储能使用。
• 当光伏发电下降时，BESS装置自动以最大1,200 kW容量投入运行，以补偿功率缺口，展示了动态负载平衡能力。
• 棕色启动与早期下发机制使系统能够快速适应聚合器指令的变化与可再生能源输出波动，在实时约束下保持精确的功率分配。