[论文解读] Frequency-Constrained Resilient Scheduling of Microgrid: A Distributionally Robust Approach

Zhongda Chu, Ning Zhang+1 more|arXiv (Cornell University)|Jun 30, 2021

Microgrid Control and Optimization参考文献 32被引用 9

一句话总结

本文提出了一种分布鲁棒的主动配电网调度模型，明确建模了孤岛运行期间的频率动态特性，以及可再生能源出力和负荷切除非关键负荷的不确定性。通过解析推导频率约束条件，并将其重构为第二类锥形式，该模型能够实现基于换流器的发电机的最优虚拟惯性支撑，与基准情况相比，运营成本最高可降低50%，同时在不确定性条件下确保频率安全。

ABSTRACT

In order to prevent the potential frequency instability due to the high Power Electronics (PE) penetration under an unintentional islanding event, this paper presents a novel microgrid scheduling model which explicitly models the system frequency dynamics as well as the long/short term uncertainty associated with renewable energy resources and load. Synthetic Inertia (SI) control is applied to regulating the active power output of the Inverter-Based Generators (IBGs) to support the post-islanding frequency evaluation. The uncertainty associated with the noncritical load shedding is explicitly modeled based on the distributionally robust formulation to ensure resilient operation during islanding events. The resulted frequency constraints are derived analytically and reformulated into Second-Order Cone (SOC) form, which are further incorporated into the microgrid scheduling model, enabling optimal SI provision of Renewable Energy Sources (RESs) from the micorgrid perspective. With the SOC relaxation of the AC power flow constraints, the overall problem is constructed as a mixed-integer SOC Programming (MISOCP). The effectiveness of the proposed model is demonstrated based on modified IEEE 14-bus system.

研究动机与目标

• 解决现有主动配电网调度模型在孤岛运行条件下缺乏频率动态建模的问题。
• 在不假设已知概率分布的前提下，纳入非关键负荷切除非关键负荷的不确定性。
• 实现基于可再生能源的发电机的最优虚拟惯性支撑，以增强孤岛运行后的频率稳定性。
• 开发一种计算上可处理的优化框架，确保系统韧性与低运营成本。
• 在孤岛运行期间非关键负荷切除非关键负荷的不确定性下，平衡风险与成本。

提出的方法

• 本文将孤岛事件后的配电网频率动态建模为阶跃扰动，推导出包括频率最低点在内的频率指标的解析表达式。
• 采用分布鲁棒优化框架，利用模糊集建模非关键负荷切除非关键负荷的不确定性，避免依赖特定分布假设。
• 将非线性频率最低点约束重构为第二类锥（SOC）形式，以支持凸优化，确保计算可处理性。
• 通过SOC松弛近似交流潮流约束，将频率与不确定性模型整合为混合整数第二类锥规划（MISOCP）。
• 在修改后的IEEE 14节点系统上实现并验证该模型，通过案例研究对比基准情况、虚拟惯性与不确定性水平。
• 利用切比雪夫不等式对频率最低点的偏离进行约束，确保在分布模糊性下具有保守性但准确的约束条件。

Figure 1 : Block diagram of WT synthetic inertia control scheme.

实验结果

研究问题

• RQ1 如何对非计划孤岛事件后的频率动态进行解析建模，并将其整合到主动配电网调度中？
• RQ2 非关键负荷切除非关键负荷的不确定性对主动配电网频率安全与运营成本有何影响？
• RQ3 如何最优调度基于换流器的发电机提供的虚拟惯性，以减少对传统发电机的依赖并降低运营成本？
• RQ4 与传统随机规划或机会约束方法相比，分布鲁棒方法在提升系统韧性方面有多大改善？
• RQ5 不同不确定性水平与置信度阈值如何影响孤岛运行中运营成本与风险之间的权衡？

主要发现

• 与基准情况相比，所提出的模型通过实现最优虚拟惯性和负荷切除非关键负荷，将主动配电网运营成本降低了约50%。
• 当虚拟惯性容量提高至160 MW时，配电网可从主网多进口功率，减少对传统发电机的依赖，从而降低运营成本。
• 可再生能源提供的总虚拟惯性在23至94 MWs/Hz之间变化，观察到虚拟惯性与传统发电机出力之间存在反比关系。
• 在低净负荷时段（如t ∈ [12,16] h），由于传统发电机惯性较低，因此调度了更多的虚拟惯性。
• 当负荷切除非关键负荷的不确定性超过0.27–0.38时，运营成本趋于稳定在无负荷切除非关键负荷情景的水平，表明保守的不确定性建模存在收益递减现象。
• 将置信度从0.95降低至0.90，平均运营成本减少约10%，凸显了风险与成本之间的重要权衡。

Figure 2 : Relationship between microgrid scheduling and frequency control.