[论文解读] Resilience-Oriented Operation of Micro-Grids in both Grid-Connected and Isolated Conditions within Sustainable Active Distribution Networks

Saeed Behzadi, Amir Bagheri+1 more|arXiv (Cornell University)|Mar 28, 2024

Smart Grid Energy Management被引用 6

一句话总结

该论文提出了一种凸的混合整数二次约束规划（MIQCP）模型，用于在并网和孤岛微电网（MG）运行条件下，实现主动配电网（ADNs）的弹性、面向弹性的运行。通过联合优化网络重构、分布式能源资源（DER）配置（包括DG、ESS、PV、WT）以及微电网形成，该模型在正常运行时最小化功率损耗，在故障后场景中最小化负荷切除非，实现了在紧急情况下采用网孔接线方式的IEEE 33-母线系统中98.5%的负荷恢复率。

ABSTRACT

Due to the increasing occurrence of natural disasters, importance of maintaining sustainable energy for cities and society is felt more than ever. On the other hand, power loss reduction is a challenging issue of active distribution networks (ADNs). In this paper, a new convex optimization model is proposed with two objective functions including energy loss reduction in normal operating mode and system load shedding minimization in critical conditions after the occurrence of natural disasters. This purpose is fulfilled through optimal allocation of distributed generation (DG) units from both conventional and renewable types as well as energy storage systems (ESSs). In addition, a new formulation has been derived to form optimal micro-grids (MGs) aiming at energy loss reduction in normal operating condition and resiliency index improvement under emergency situations. The developed model is implemented in GAMS software and the studies have been tested and analyzed on the IEEE 33-bus system. The results verify the effectiveness of the proposed method in terms of energy loss reduction as well as resilience enhancement in extreme operation condition following severe disruptions in the system.

研究动机与目标

• 解决在正常运行中最小化功率损耗和在灾后停电期间减少负荷切除非的双重挑战。
• 开发一种统一的优化框架，同时在并网和孤岛微电网条件下提升系统弹性和运行效率。
• 通过协调网络重构和分布式能源资源（DERs）的优化配置，实现辐射形和网孔形微电网的最优形成。
• 通过引入交流潮流约束和真实的DER模型，确保在极端条件下的电压稳定和安全运行。
• 在不同灾害场景和网络接线方式下，通过IEEE 33-母线系统验证模型的有效性。

提出的方法

• 构建一个双目标凸优化模型，作为混合整数二次约束规划（MIQCP），结合正常模式下的能量损耗最小化（c1）和紧急模式下的负荷切除非最小化（c2）。
• 采用基于拉格朗日的公式（LFB）方法对交流潮流方程进行线性化，以确保模型的凸性和可解性。
• 使用二值变量对网络重构、DG/ESS/PV/WT配置以及微电网形成进行建模，并通过约束条件强制实现辐射形和网孔形MG结构。
• 引入弹性指数（RI）以量化紧急情况下的系统性能，指导最优孤岛划分和资源分配。
• 将时变负荷曲线、可再生能源发电的不确定性（通过风速和太阳辐射输入表示）以及ESS的充放电动态（含效率和容量限制）整合进模型。
• 优化在GAMS中实现，并使用商业求解器求解，结果在IEEE 33-母线系统上针对辐射形和网孔形配置进行了验证。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何构建一个统一的优化模型，以同时最小化正常运行时的功率损耗和灾后条件下的负荷切除非？
• RQ2 分布式发电机（DG）、储能系统（ESS）、光伏（PV）和风力发电机的最优配置位置与容量应如何确定，以同时提升运行效率和系统弹性？
• RQ3 在严重扰动后，辐射形与网孔形微电网配置的选择如何影响系统弹性和负荷恢复能力？
• RQ4 在网络重构和MG形成方面，能在多大程度上提升系统在极端天气事件下的弹性？
• RQ5 所提出的凸MIQCP模型如何确保在所有运行模式下电压稳定和安全运行？

主要发现

• 与基准情况相比，该模型在并网模式下（c1）将总 active 功率损耗降低了42.3%，显著提升了运行效率。
• 在孤岛模式下（c2），网孔形微电网配置实现了98.5%的负荷恢复率，优于辐射形结构的92.1%恢复率。
• 在紧急条件下，与辐射形相比，网孔形接线方式的系统弹性指数（RI）提高了38%，表明其具备更强的恢复能力。
• 在两种运行模式下，所有母线的电压幅值均保持在可接受范围内（0.96–1.1 pu），c1模式下峰值负荷时母线16的电压最低，为0.97 pu。
• 无功功率支持得到有效管理，同步DG在第18小时实现最大无功功率注入，以补偿电压下降。
• 在孤岛模式下，模型成功形成了最多三个最优微电网，通过最优联络线切换和ESS利用，确保了系统稳定运行。