[论文解读] Impact of Dynamic Line Rating on Dispatch Decisions and Integration of Variable RES Energy

Bolun Xu, Andreas Ulbig+1 more|arXiv (Cornell University)|Dec 2, 2016

Thermal Analysis in Power Transmission参考文献 7被引用 3

一句话总结

本文提出了一种动态线路载流量（DLR）模型，利用实时气象数据和导体热平衡原理，将输电容量提升至传统额定线路载流量（NLR）以上。基于德国电网基准系统的高分辨率直流最优潮流仿真结果表明，DLR可使风电弃用每年减少高达800 GWh，并在高比例可再生能源渗透场景下显著减少负荷削减，尤其是在布雷梅—法兰克福—斯图加特等阻塞走廊中表现明显。

ABSTRACT

Dynamic line rating (DLR) models the transmission capacity of overhead lines as a function of ambient conditions. It takes advantage of the physical thermal property of overhead line conductors, thus making DLR less conservative compared to the traditional worst-case oriented nominal line rating (NLR). Employing DLR brings potential benefits for grid integration of variable Renewable Energy Sources (RES), such as wind and solar energy. In this paper, we reproduce weather conditions from renewable feed-ins and local temperature records, and calculate DLR in accordance with the RES feed-in and load demand data step. Simulations with high time resolution, using a predictive dispatch optimization and the Power Node modeling framework, of a six-node benchmark power system loosely based on the German power system are performed for the current situation, using actual wind and PV feed-in data. The integration capability of DLR under high RES production shares is inspected through simulations with scaled-up RES profiles and reduced dispatchable generation capacity. The simulation result demonstrates a comparison between DLR and NLR in terms of reductions in RES generation curtailments and load shedding, while discussions on the practicality of adopting DLR in the current power system is given in the end.

研究动机与目标

• 评估动态线路载流量（DLR）在高比例可变可再生能源（RES）电力系统中对输电阻塞与可再生能源消纳的影响。
• 开发一种基于气象条件的DLR模型，利用环境温度、风速和太阳辐射等参数实时计算线路载流量。
• 使用2011年实际高分辨率真实数据，对DLR与传统额定线路载流量（NLR）下的经济调度结果进行仿真与对比。
• 评估在现有输电系统中实施DLR的实际可行性与局限性，包括设备容量限制与空间气象差异性。
• 量化在可再生能源大规模扩展的未来场景下，应用DLR后可再生能源弃电与负荷削减的减少程度。

提出的方法

• 基于导体热平衡方程构建DLR模型，综合考虑焦耳发热、太阳加热、对流冷却与辐射冷却效应。
• 利用环境气象数据（空气温度、风速、风向角、太阳辐射）计算线路载流量，而非依赖导体温度测量。
• 基于本地气温记录与可再生能源馈入数据，重建历史气象条件，以实现长时间序列的稳定DLR估算。
• 应用包含负荷削减与发电削减惩罚项的成本函数的直流最优潮流（DC OPF）经济调度模型，模拟DLR与NLR下的经济调度表现。
• 对基于德国电网构建的六 bus 基准电力系统进行仿真，采用2011年实际风电与光伏馈入数据，并扩展可再生能源出力曲线以代表未来情景。
• 基于时间序列的DLR与NLR载流量，评估布雷梅—法兰克福—斯图加特走廊的线路负载与阻塞情况，对比弃电与输电性能差异。

实验结果

研究问题

• RQ1 与NLR相比，DLR在高比例可再生能源电力系统中能多大程度上减少风电弃电与负荷削减？
• RQ2 环境气象条件（如风速、太阳辐射）的变化如何影响架空输电线路的动态载流量？
• RQ3 在使用简化的节点化模型时，沿输电线路的空间气象差异性对DLR估算精度有何影响？
• RQ4 在高比例可再生能源发电场景下，DLR如何影响阻塞输电走廊的整体输电能力？
• RQ5 在实际电力系统中实施DLR存在哪些实际限制，包括设备额定值与测量不确定性？

主要发现

• 在可再生能源大规模扩展的未来情景下，DLR使布雷梅—法兰克福—斯图加特输电走廊的风电弃电每年减少约800 GWh。
• 在使用DLR时，法兰克福与斯图加特区域的负荷削减量相比NLR减少近一半，尤其在高风速的冬季期间表现显著。
• 在高风速（如6 m/s）条件下，DLR模型可使输电容量提升高达200%，显著增强阻塞走廊的功率传输能力。
• 仿真结果表明，DLR能有效缓解南北向输电通道的阻塞，提升从德国北部向南部输送风电的效率。
• 尽管具有显著优势，但DLR的效果仍受空间气象差异性限制，且需基于最坏情况与设备热极限对载流量进行上限控制。
• 研究结论认为，对于输电受限网络，DLR是替代新建输电线路以集成高比例可变可再生能源的经济高效方案。