[论文解读] Representation of Distribution Grid Expansion Costs in Power System Planning

Luis Böttcher, Christian Fröhlich+4 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2023

Integrated Energy Systems Optimization被引用 1

一句话总结

本文提出可行规划区域（FPR），一种新颖的方法，用于在系统性电力系统规划中表示配电网络扩展成本和运行约束。通过整合不同电压等级和城市化类型下的物理限制与投资成本，FPR 能够更准确地反映未来能源系统的成本，实现比简化模型更高的分布式光伏（PV）渗透率和更低的输电损耗。

ABSTRACT

The shift towards clean energy brings about notable transformations to the energy system. In order to optimally plan a future energy system, it is necessary to consider the influence of several sectors as well as the interaction of the transmission grid and distribution grid. The concept of Feasible Operation Region (FOR) is a detailed approach to representing the operational dependencies between the transmission and distribution grid. However, in previous planning procedures, only a simplified expansion of the distribution grids can be taken into account. With the method presented in this paper, a Feasible Planning Region (FPR) is developed, which represents the operational boundaries of the distribution grids for several expansion stages and thus represents an admissible solution space for the planning of distribution grids in systemic planning approaches. It hence enables a more detailed representation of the necessary distribution grid expansion for the integration of distributed technologies in an optimized energy system of the future. In this paper, we present the method by which the FPR is formed and its integration into an energy system planning formulation. In the results, the FPR is presented for different voltage levels, and its use in power system planning is demonstrated.

研究动机与目标

• 解决系统性能源系统规划中对配电网络扩展成本和运行约束缺乏详细表征的问题。
• 开发一种方法，捕捉不同电压等级和城市化类型下配电网络基础设施投资与物理运行限制之间的相互作用。
• 通过将配电网络可行性嵌入整体优化模型，实现输电网调度员（TSO）与配电网络调度员（DSO）的协同规划。
• 展示在系统规划中纳入配电网络成本与约束如何改变技术选择与系统配置。

提出的方法

• 通过使用潮流方程和电网参数，在多个扩展阶段对配电网络的运行边界进行建模，构建可行规划区域（FPR）。
• FPR 集成不同电压等级（10–20 kV，110 kV）和城市化水平（农村、半城市化、城市）下的物理约束（如热极限、电压极限）和投资成本。
• 该方法将可行运行区域（FOR）概念扩展至包含投资成本分量，形成一个同时反映可行性与电网扩展经济成本的解空间。
• 将 FPR 嵌入大规模能源系统优化模型中，实现输电与配电网络的协同规划。
• 该方法基于历史气象数据和常规发电厂保留情况，采用一个包含 37 个节点（每个国家一个）的简化欧洲电网网络，并设定 2030 年的绿地情景。
• 对比两种情景：一种不包含 FPR（容量无限，无成本），另一种包含 FPR（包含成本与物理限制），以评估其对系统配置的影响。

实验结果

研究问题

• RQ1 在系统规划中纳入配电网络扩展成本与物理约束，如何影响未来能源系统的最优配置？
• RQ2 不同电压等级与城市化类型如何影响可行规划区域（FPR）的形状与成本？
• RQ3 与简化模型相比，FPR 在多大程度上改变了技术部署，特别是分布式光伏与风电？
• RQ4 FPR 对输电与配电系统之间的联网功率流及输电损耗有何影响？

主要发现

• 引入 FPR 导致屋顶光伏系统的部署量增加，因为其可减少联网功率流并避免昂贵的配电网络扩展。
• 与情景 A 相比，情景 B（包含 FPR）在 TSO/DSO 接口处的输电损耗降低了 15–20%，主要得益于本地发电。
• FPR 模型促使城市与半城市化地区从陆上风电转向分布式光伏，反映出本地发电在成本与物理可行性上的实际限制。
• FPR 的形状与成本在不同电压等级与城市化类型下存在显著差异，其中城市地区表现出更严格的约束与更高的投资成本。
• FPR 实现了对 TSO-DSO 协同规划的更准确表征，揭示了忽略配电网络成本将导致系统配置次优。
• 本研究证明，FPR 的整合会改变最优能源系统组合，当物理与经济约束被准确建模时，更倾向于采用去中心化技术。