[论文解读] Multi-scale Transactive Control In Interconnected Bulk Power Systems Under High Renewable Energy Supply and High Demand Response Scenarios

David P. Chassin|arXiv (Cornell University)|Nov 22, 2017

Smart Grid Energy Management参考文献 126被引用 5

一句话总结

本文提出了一种在高比例可再生能源和需求响应渗透背景下的互联大电网系统多尺度交易控制框架，通过实时市场信号与自主响应，在区域、馈线和设备层级实现分层控制。其核心贡献是一种协同优化的动态控制架构，可在高波动性和异常工况下实现协调的电能与辅助服务经济调度，同时维持系统稳定。

ABSTRACT

This thesis presents the design, analysis, and validation of a hierarchical transactive control system that engages demand response resources to enhance the integration of renewable electricity generation resources. This control system joins energy, capacity and regulation markets together in a unified homeostatic and economically efficient electricity operation that increases total surplus while improving reliability and decreasing carbon emissions from fossil-based generation resources. The work encompasses: (1) the derivation of a short-term demand response model suitable for transactive control systems and its validation with field demonstration data; (2) an aggregate load model that enables effective control of large populations of thermal loads using a new type of thermostat (discrete time with zero deadband); (3) a methodology for optimally controlling response to frequency deviations while tracking schedule area exports in areas that have high penetration of both intermittent renewable resources and fast-acting demand response; and (4) the development of a system-wide (continental interconnection) scale strategy for optimal power trajectory and resource dispatch based on a shift from primarily energy cost-based approach to a primarily ramping cost-based one. The results show that multi-layer transactive control systems can be constructed, will enhance renewable resource utilization, and will operate in a coordinated manner with bulk power systems that include both regions with and without organized power markets. Estimates of Western Electric Coordionating Council (WECC) system cost savings under target renewable energy generation levels resulting from the proposed system exceed US$150B annually by the year 2024, when compared to the existing control system.

研究动机与目标

• 解决在互联大电网系统中高比例可再生能源与需求响应集成所面临的挑战，同时确保可靠性与经济效率。
• 开发一种分层控制架构，实现实时协调区域、馈线和设备层级的电能与辅助服务调度。
• 通过分布式资源的自主、快速响应，确保在正常与异常工况下的系统稳定性。
• 在多个时间尺度上协同优化实时电能与辅助服务市场，使智能电网资产能够参与多重收益渠道。
• 通过根据系统状态动态调整控制权重，维持高波动性条件下的频率与电压稳定性。

提出的方法

• 采用两阶段基于市场的方法：日前机组组合与实时经济调度，每5–180分钟进行实时调整。
• 使用区域控制平衡各平衡区的发电与负荷，依赖市场出清结果导出的联络线潮流参考值。
• 实施馈线级控制，以协调区域级功率参考与零售市场信号，在系统异常时优先保障系统稳定性。
• 部署自主设备级控制器，响应本地电压与频率信号，并在系统应力期间抑制本地控制以防止振荡。
• 在实时市场层面通过动态加权函数，协同优化电能与辅助服务（如频率调节、旋转备用）。
• 应用swing方程与系统频率动态模型（$df/dt = M\Delta P + D\Delta f$），以描述功率不平衡下的系统惯性与频率响应。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何在多个尺度（区域、馈线、设备）上构建交易控制结构，以管理高比例可再生能源与需求响应的集成？
• RQ2 何种控制架构可在正常与异常工况下确保系统稳定性，同时维持经济效率？
• RQ3 如何协同优化实时电能与辅助服务市场，使智能电网资产能够参与多重收益？
• RQ4 何种机制可实现分布式资源的自主、快速响应，同时不损害系统整体稳定性？
• RQ5 在不同系统条件下，馈线级控制如何协调区域市场与零售市场之间冲突的功率参考？

主要发现

• 多尺度交易控制框架成功利用实时市场信号与自主响应，在区域、馈线与设备层级实现了电能与辅助服务的协调。
• 在正常运行时，系统通过赋予零售市场功率参考更高权重，优先实现经济调度；在异常情况下，则优先采用区域控制信号以保障稳定性。
• 该框架通过在5分钟实时周期内协同优化市场合约，使智能电网资产能够参与多重收益渠道（如电能与频率调节）。
• 馈线控制器通过动态调整设定点并在必要时抑制本地控制信号，有效管理了局部约束（如阻塞与分布式可再生能源波动）。
• 通过负荷与分布式资源的协调自主响应，系统在通信中断或异常工况下仍能维持频率与电压稳定。
• 控制系统的动态加权函数使系统在压力条件下可从纯经济目标转向优先保障系统稳定，确保符合NERC可靠性标准。