[论文解读] Quantifying Hosting Capacity for Rooftop PV System in LV Distribution Grids

Jingyi Yuan, Yang Weng+1 more|arXiv (Cornell University)|Sep 2, 2019

Optimal Power Flow Distribution参考文献 23被引用 5

一句话总结

本文提出一种几何的、构造性方法，用于计算低压（LV）配电网中屋顶光伏（PV）系统的全局最优宿主容量（HC），通过灵活的目标函数和顺序约束处理，即使在非凸约束下也能实现精确解。该方法在IEEE 8-bus和123-bus系统中实现了精确的HC计算，并在三相不平衡条件下验证了性能，同时通过并行计算实现可扩展性。

ABSTRACT

Power systems face increasing challenges on reliable operations due to the widespread distributed generators (DGs), e.g., rooftop PV system in the low voltage (LV) distribution grids. Characterizing the hosting capacity (HC) is vital for assessing the total amount of distributed generations that a grid can hold before upgrading. For analyzing HC, some methods conduct extensive simulations, lacking theoretical guarantees and can time-consuming. Therefore, there are also methods employing optimization over all necessary operation constraints. But, the complexity and inherent non-convexity lead to non-optimal solutions. To solve these problems, this paper provides a constructive model for HC determination. Based on geometrically obtained globally optimal HC, we construct HC solutions sequentially according to realistic constraints, so that we can obtain optimal solution even with non-convex model. For practical adaption, we also consider three-phase unbalance condition and parallel computation to speed-up. We validated our method by extensive numerical results on IEEE standard systems, such as 8-bus and 123-bus radial distribution grids, where the global optimums are obtained and performance illustrations are demonstrated.

研究动机与目标

• 解决现有宿主容量（HC）方法在高比例屋顶光伏渗透的低压配电网中缺乏全局最优解的问题。
• 克服基于仿真的方法（耗时、无理论保证）和基于优化的方法（因非凸性导致非最优）的局限性。
• 开发一种灵活且构造性的框架，在可能的情况下保持凸性，并在非凸约束下实现全局最优。
• 将模型扩展至处理三相不平衡系统，并通过并行化提升计算效率。
• 在标准IEEE配电网系统上验证该方法，涵盖多种运行约束和不平衡条件。

提出的方法

• 将HC问题重新表述为带有灵活目标函数的交流最优潮流（ACOPF），其中引入自由参数λ以缩放每个母线的发电量。
• 采用矩形坐标系以凸化部分约束，从而在问题的某些部分保持凸性。
• 运用几何直觉推导出即使在约束保持非凸的情况下仍为全局最优的解，并提供了正式的数学证明。
• 引入序分量建模以处理三相不平衡系统，整合序分量潮流和不平衡负荷/电流模型。
• 通过分段分布式优化（例如在123-bus系统中的关键母线16和73处）实现并行计算，显著降低求解时间。
• 通过在IEEE 8-bus和123-bus辐射状配电网系统上的数值仿真验证该方法，结果与Fmincon和MatPower等商业求解器进行对比。

实验结果

研究问题

• RQ1 即使在非凸约束下，构造性几何方法是否仍能实现低压配电网中屋顶光伏宿主容量的全局最优？
• RQ2 如何利用灵活的目标函数在保持理论最优性的同时，优先提升特定母线的光伏宿主容量？
• RQ3 三相不平衡对宿主容量有何影响？如何实现准确建模与求解？
• RQ4 并行与分布式计算是否能显著缩短大规模配电网的求解时间？
• RQ5 与启发式方法和商业优化求解器相比，所提方法在精度和效率方面表现如何？

主要发现

• 所提方法在IEEE 8-bus系统中实现了宿主容量的全局最优，计算得到的HC为29.45 p.u.，显著高于启发式MatPower方法得到的15.38 p.u.。
• 该方法在平衡与不平衡三相条件下均成功计算出精确的HC值，通过序分量建模和节点电压方程得到验证。
• 通过分布式优化实现的并行计算大幅缩短了求解时间，IEEE 123-bus系统的结果与集中式解几乎完全一致，证实了方法的正确性与高效性。
• 几何方法即使在非凸约束下也能确保全局最优，其数学证明已正式建立，并通过数值验证确认。
• 在复杂的大规模系统（如123-bus网络）中，该方法在稳定性与收敛性方面优于商业求解器Fmincon。
• 通过集成非换位线路和不平衡负荷的序分量模型，实现了在实际不平衡配电网中的精确HC计算。