[论文解读] Optimal Transmission Topology for Facilitating the Growth of Renewable Power Generation

E. W. R. Little, Sandrine Bortolotti+3 more|arXiv (Cornell University)|Mar 29, 2021

Optimal Power Flow Distribution参考文献 28被引用 11

一句话总结

本文提出最优输电拓扑控制（OTC）作为一种经济高效的手段，以实现更高比例的可变可再生能源并网。基于改进的RTS-96测试系统，研究表明，当风电容量增至三倍时，OTC可使系统成本降低3.4倍，同时减少弃风和阻塞，且维持运行灵活性。

ABSTRACT

Transmission topology control is a tool used by system operators in the role of a control action taken into account as a preventive or corrective action relative to a specific outage or set of outages. However, their inclusion in most electricity market frameworks is limited. With the increasing penetration of intermittent energy sources, optimal topology can be used as a lever of flexibility to decrease the total system cost. This paper demonstrates the evolution of optimal topology control on systems with increasing quantities of intermittent renewable energy along two axes. First, the effects of the increased variable sources on the variations of optimal topology are explored. Second, we elaborate on the growing advantages of exploiting transmission level grid flexibility in terms of total system cost. Case studies are performed on a modified RTS-96 network.

研究动机与目标

• 量化在可再生能源渗透率不断提高的系统中，最优输电拓扑控制（OTC）的经济与运行效益。
• 分析随着风电发电水平提高，拓扑操作的次数与频率如何演变。
• 评估OTC对系统阻塞、风电弃用率及节点电价方差的影响。
• 评估将OTC整合进电力市场设计（尤其是基于潮流的市场耦合）的潜力。
• 证明随着系统波动性上升，OTC不仅对系统安全至关重要，对经济效率的提升也日益显著。

提出的方法

• 将最优输电切换（OTS）问题建模为混合整数非线性规划（MINLP），将网络拓扑变化作为二元决策变量。
• 采用改进的RTS-96测试系统，设置风电容量逐步提升的场景（基线容量的50%、75%、100%、150%、300%）。
• 利用优化技术求解OTC问题，以最小化总系统成本，包括发电成本与弃电成本。
• 对比三种系统配置：铜板模型（无网络约束）、基线网络（无灵活性）以及基线网络加OTC。
• 以节点电价方差作为阻塞指标进行追踪，并量化不同场景下的风电弃用率。
• 统计不同时间步长中所使用独特拓扑的数量及拓扑变化的频率。

实验结果

研究问题

• RQ1 随着风电渗透率提高，所采用的最优拓扑数量如何变化？
• RQ2 随着可再生能源发电增加，OTC在总系统成本降低方面的经济收益如何？
• RQ3 在因网络阻塞导致的风电弃用方面，OTC能减少多少？
• RQ4 OTC如何影响节点电价的地理差异，从而反映阻塞减少的程度？
• RQ5 将OTC整合进现有市场设计（如基于潮流的市场耦合）具有多大潜力？

主要发现

• 当风电容量从基线容量的100%增至300%时，OTC带来的总系统成本降低幅度扩大了3.4倍，年节省达2000万美元。
• OTC的经济收益增速超过风电渗透率：随着可再生能源增加，铜板模型与基线网络之间的成本差异从4万美元增至6600万美元。
• 由于OTC的引入，风电弃用率最高可减少1600吉瓦时，尤其在高渗透率场景下，网络约束原本会限制可再生能源出力。
• 在OTC作用下，节点电价方差下降，表明阻塞减少，网络中价格信号更加均匀。
• 随着风电渗透率提高，独特拓扑数量增加，但在300%风电容量下，基础拓扑（所有线路断开）仍占所有时间步长的近一半。
• 在高风电水平下，每时间步的最优拓扑操作次数趋于稳定，表明尽管系统波动性增加，但运行复杂性存在实际上限。