[论文解读] Network-Constrained Transactive Control for Multi- Microgrids-based Distribution Networks with SOPs

Xiaodong Yang, Zehao Song+6 more|arXiv (Cornell University)|Nov 6, 2020

Microgrid Control and Optimization参考文献 32被引用 4

一句话总结

该论文提出了一种网络约束型可交易控制（NTC）框架，用于多微电网配电网，通过整合可交易能源市场与软开点（SOP）型潮流调节，联合优化经济效率与系统安全。该方法采用动态双时间尺度模型，并利用KKT条件与松弛技术将双层博弈问题重构为单层混合整数第二阶锥规划（MISOCP），显著提升了计算效率，同时有效缓解了不确定性，在预测误差变化下实现了电压特性改善与成本节约。

ABSTRACT

Different from most transactive control studies only focusing on economic aspect, this paper develops a novel network-constrained transactive control (NTC) framework that can address both economic and secure issues for a multi-microgrids-based distribution network considering uncertainties. In particular, we innovatively integrate a transactive energy market with the novel power-electronics device (i.e., soft open point) based AC power flow regulation technique to improve economic benefits for individual microgrids and meanwhile ensure the security of the entire distribution network. In this framework, a dynamic two-timescale NTC model consisting of slow-timescale pre-scheduling and real-time scheduling stages is formulated to work against multiple system uncertainties. Moreover, the original bilevel game problems are transformed into single-level mixed-integer second-order cone programming problems through KKT conditions, duality, linearization and relaxation techniques to avoid iterations of transitional methods, so as to improve computational efficiency. Finally, numerical simulations on a modified 33-bus test system with 3 MGs verify the effectiveness of the proposed framework.

研究动机与目标

• 解决现有可交易控制研究仅关注经济效率而忽视网络约束与系统安全的不足。
• 开发一种整体性框架，通过价格信号协调配电网络运营商（DNO）与微电网（MG）的同时，确保电压与线路潮流安全。
• 将软开点（SOP）作为高比例可再生能源渗透配电网中主动功率潮流调节的控制手段。
• 构建双时间尺度可交易控制模型，以应对可再生能源出力与负荷需求的不确定性。
• 通过KKT条件与松弛技术将复杂双层博弈问题转化为单层混合整数第二阶锥规划（MISOCP），提升计算效率。

提出的方法

• 构建具有慢时间尺度预调度与实时调度的动态双时间尺度NTC模型，以管理系统不确定性。
• 整合可交易能源市场与基于SOP的有功功率潮流控制，以平衡经济与技术目标。
• 应用KKT条件、对偶理论与松弛技术，将双层优化问题转化为单层混合整数第二阶锥规划（MISOCP）。
• 利用SOP作为灵活可控的电力电子设备，重塑潮流分布，并在不确定条件下维持电压稳定。
• 采用改进的IEEE 33-bus测试系统，配置三个微电网，以模拟真实配电网动态并验证框架有效性。
• 实施鲁棒优化方法，以处理可再生能源出力与负荷的预测误差，确保系统韧性。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何将可交易控制扩展至同时应对多微电网配电网中的经济与安全约束？
• RQ2 在存在网络约束的环境下，基于SOP的潮流调节对电压特性与系统损耗有何影响？
• RQ3 在可再生能源出力与负荷预测不确定性水平变化时，所提出的双时间尺度NTC模型性能如何？
• RQ4 与迭代方法相比，通过KKT条件与松弛技术将双层博弈重构为单层MISOCP，其在计算效率上的提升程度如何？
• RQ5 与非市场机制或仅经济导向的控制策略相比，集成可交易能源定价与SOP控制在成本、损耗与电压越限方面表现如何？

主要发现

• 与无SOP的工况相比，所提出的NTC方法将电压偏差降低64.33%，线路损耗降低152.49%，充分证明SOP在提升系统安全中的关键作用。
• 与仅经济导向的可交易控制（案例I）相比，所提出方法在经济成本略有上升的情况下，仍显著减少电压越限并改善电压特性。
• 双时间尺度NTC模型能有效缓解预测误差的不利影响，即使在高不确定性水平（如0.25/0.2/0.15）下，性能退化仍保持在可控范围内。
• 通过KKT条件与松弛技术将双层博弈重构为单层MISOCP，避免了迭代求解，显著提升了计算效率。
• 案例IV（所提出的NTC）在所有对比案例中实现了最低的整体运行成本与最佳的电压调节性能，包括非计划与单层模型。
• 将可交易能源定价与SOP控制相结合，相比固定价格或下垂市场机制，能更公平地分配DNO与MG之间的收益。