[论文解读] Multiple Ancillary Services Provision by Distributed Energy Resources in Active Distribution Networks

Ognjen Stanojev, Yi Guo+2 more|arXiv (Cornell University)|Feb 18, 2022

Optimal Power Flow Distribution被引用 10

一句话总结

本文提出了一种基于模型预测控制（MPC）的集中式控制器，使主动配电网中的异构分布式能源资源（DERs）能够同时提供电压支撑、一次和二次调频服务。通过利用输入多速率框架和线性潮流模型的网络分解方法，该控制器有效管理了多时间尺度和网络约束，在IEEE 33-母线系统仿真中实现了低于3%的误差，并显著提升了计算效率。

ABSTRACT

The electric power system is currently experiencing radical changes stemming from the increasing share of renewable energy resources and the consequent decommissioning of conventional power plants based on synchronous generators. Since the principal providers of ancillary services are being phased out, new flexibility and reserve providers are needed. The proliferation of Distributed Energy Resources (DERs) in modern distribution networks has opened new possibilities for distribution system operators, enabling them to fill the market gap by harnessing the DER flexibility. This paper introduces a novel centralized MPC-based controller that enables the concurrent provision of voltage support, primary and secondary frequency control by adjusting the setpoints of a heterogeneous group of DERs in active distribution grids. The input-multirate control framework is used to accommodate the distinct timescales and provision requirements of each ancillary service and to ensure that the available resources are properly allocated. Furthermore, an efficient way for incorporating network constraints in the formulation is proposed, where network decomposition is applied to a linear power flow formulation together with network reduction. In addition, different timescale dynamics of the employed DERs and their capability curves are included. The performance of the proposed controller is evaluated on several case studies via dynamic simulations of the IEEE 33-bus system.

研究动机与目标

• 为应对由于脱碳化努力导致常规同步发电机逐步退出而产生的对辅助服务日益增长的需求。
• 利用多样化DER（如电池储能系统、光伏、分布式发电机和可调节负荷）在主动配电网中尚未开发的灵活性。
• 开发一种集中式控制框架，协调具有不同时间尺度和需求的多种辅助服务（电压支撑、一次和二次调频）。
• 在不牺牲计算效率的前提下，将网络约束（包括热极限和电压极限）纳入控制公式。
• 在发电机脱网和线路跳闸等动态扰动下评估控制器性能，确保系统稳定和安全运行。

提出的方法

• 采用输入多速率MPC框架，以处理一次调频（快速）、二次调频（中速）和电压控制（慢速）的不同时间尺度。
• 控制器使用线性化潮流模型，并结合网络分解与网络简化技术，降低问题维度并提升计算效率。
• 优化问题包含有功和无功功率极限、电压幅值以及支路热极限等约束，这些约束源自DER能力曲线和系统动态特性。
• 控制器根据输电网调度员提供的实时信号动态调整DER设定值，确保公共耦合点（PCC）的功率交换跟踪预定值。
• 构建目标函数以最小化控制努力和与预定功率流的偏差，对电压越限和网络拥堵情况施加惩罚项。
• 通过集成实时反馈和预测控制，控制器能够考虑系统动态行为，包括事故引起的频率偏差和电压下降。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何通过集中式控制器有效协调异构DER在不同响应时间下提供的多种辅助服务（电压支撑、一次和二次调频）？
• RQ2 热极限和电压越限等网络约束对主动配电网中DER可行运行区域有何影响？
• RQ3 与完整系统建模相比，所提出的网络分解方法和线性潮流公式化在计算效率和解算精度方面有何影响？
• RQ4 在发电机脱网或线路跳闸等大扰动下，控制器能否维持系统稳定并满足服务要求？
• RQ5 在DER调度中，控制性能、计算负载与网络约束使用之间存在何种权衡？

主要发现

• 所提出的控制器成功实现实时协调多种辅助服务，母线1的电压幅值按控制律要求稳定在目标稳态值。
• 在发电机停运的事故情况下，控制器在1个时间步内响应，通过注入约0.4 p.u.的无功功率来抵消电压下降，轻微超调在下一步得到纠正。
• 由于高比例光伏反向潮流导致的反向潮流，支路(17,18)达到热极限，表明网络瓶颈限制了DER的利用率。
• 网络分解方法在功率潮流计算中引入的误差小于3%，同时显著减少了计算时间，提升了可扩展性。
• 通过约束(31)和(33)的强制执行，控制器在扰动后通过调整DER有功功率设定值，准确恢复了PCC处的有功功率交换。
• 控制器在稳态和动态条件下均得到验证，表现出对电压扰动和频率偏差的鲁棒性。