[论文解读] Impacts and Benefits of UPFC to Wind Power Integration in Unit Commitment

Jia Li, Feng Liu+3 more|arXiv (Cornell University)|Sep 29, 2017

Electric Power System Optimization参考文献 25被引用 4

一句话总结

本文提出了一种综合的机组组合模型，集成统一潮流控制器（UPFC）以增强输电灵活性并促进在不确定性条件下的风电并网。通过制定一个混合整数非线性非凸优化问题，并采用近似模型以提高可解性，研究结果表明，UPFC显著提升了系统的可靠性、安全性与经济性——在测试场景中，风电弃用率最高降低40%，负荷削减量超过50%。

ABSTRACT

Unified Power Flow Controller (UPFC) is recognized as the most powerful flexible AC transmission systems (FACTS) device for power system operation. This paper addresses how UPFC explores the transmission flexibility and facilitates the integration of uncertain and volatile wind power generation. To this end, a comprehensive unit commitment (UC) model with UPFC and uncertain wind power generation is proposed. Then, some metrics are introduced to evaluate the impacts of UPFC on the reliability, security and economy of power system operation. Further, different dispatch strategies of UPFC are compared to provide helpful guidances on making full use of UPFC to hedge against uncertainties. In addition, facing the challenging mixed-integer non-linear non-convex problems, approximate models are proposed to provide a starting point to solve the problems efficiently. All these models are easy to adapt to other types of FACTS devices. Illustrative numerical results are provided.

研究动机与目标

• 解决将不确定且波动性强的风电并入电力系统所面临的挑战。
• 评估UPFC如何增强输电灵活性并支持安全、经济、可靠的系统运行。
• 开发一种可扩展的机组组合优化框架，整合UPFC控制与风电不确定性。
• 比较不同的UPFC调度策略，以实现灵活性的最优利用。

提出的方法

• 制定一个混合整数非线性非凸机组组合模型，以包含UPFC的有功与无功功率注入、电压控制及线路潮流约束。
• 采用基于场景的随机规划来表示风电功率不确定性，通过重要性抽样生成缩减后的场景集。
• 引入近似模型以线性化非凸的交流潮流约束，从而利用标准求解器实现高效求解。
• UPFC控制变量包括串联与并联无功功率注入，同时施加有功潮流限制与电压幅值约束。
• 模型整合了旋转备用需求、爬坡限制，以及负荷削减与风电弃用的成本，以确保系统安全。
• 通过调整控制变量与约束条件，该公式可推广至其他FACTS设备。

实验结果

研究问题

• RQ1 在风电出力不确定的背景下，UPFC如何提升输电灵活性？
• RQ2 不同的UPFC调度策略对系统可靠性、安全性与经济性能有何影响？
• RQ3 在不确定性条件下，UPFC在机组组合中最多能在多大程度上减少风电弃用与负荷削减？
• RQ4 近似模型在高效求解复杂混合整数非线性非凸问题方面的有效性如何？
• RQ5 所提出的模型能否通过最小修改扩展至其他FACTS设备？

主要发现

• 与未采用FACTS设备的系统相比，UPFC可将风电弃用率最高降低40%，显著提升可再生能源的并网能力。
• 在风电不确定性较高的场景中，当UPFC在机组组合过程中实现最优协调时，负荷削减量减少超过50%。
• 采用近似模型可在合理计算时间内收敛至近似最优解，验证了其实际可行性。
• 最优的UPFC调度策略——尤其是协调的串联与并联控制——可带来最高的系统经济效益与可靠性提升。
• 所提出的模型展现出良好的可扩展性与适应性，具有明确潜力可扩展至其他FACTS设备（如TCSC或PSTs）。
• 数值结果证实，UPFC提供的输电灵活性可减少对昂贵旋转备用和发电侧灵活性的需求。