[论文解读] The Importance of Technical Distribution Network Limits in Dynamic Operating Envelopes

Tomislav Antić, Frederik Geth+1 more|arXiv (Cornell University)|Apr 16, 2023

Smart Grid Energy Management被引用 4

一句话总结

本文提出一种基于优化的动态运行包络（DOE）模型，明确纳入了技术约束条件，特别是三相低压配电网中的电压不平衡和电流限制。通过采用包含完整三相建模的非线性、非凸公式，本研究表明，忽略电压不平衡会导致DOE估计过于乐观，而纳入所有约束后，可行的分布式发电（DG）反送容量显著降低，尤其在实际的负荷和发电配置下更为明显。

ABSTRACT

End-users more often decide to invest in distributed generation (DG) units that help them in decreasing electricity bills and allow them to become a market player by selling the excess produced electricity. However, the installation of DG is often limited by technical constraints of the network, standards, and national grid codes. As a method for removing the mentioned obstacles, the potential of dynamic operating envelopes (DOEs) is recently becoming recognized as a way for maximizing the benefits of installing DG. In this paper, we present an improvement of the already developed models that often neglect voltage unbalance constraints or are not based on an optimization approach. To test the model, two realistic case studies are defined. The results show that not all technical constraints are equally important, that the voltage unbalance constraint impacts the calculated DOEs for single-phase installed DG units, and that neglecting the temporal and spatial component in determining the limitation power is inadequate.

研究动机与目标

• 为解决现有DOE模型常忽略配电网中电压不平衡及其他关键技术约束的局限性。
• 开发一种基于物理机理、基于优化的DOE计算框架，利用非线性、非凸公式准确反映实时网络极限。
• 评估不同技术约束（特别是电压不平衡和电流限制）对分布式发电计算动态运行包络的影响。
• 证明常用简化模型（如平衡模型或线性化模型）会高估可行的DG反送容量，导致实际运行中不可行。
• 强调在确定现实可行的DOE边界时，必须考虑负荷和发电的时空变化。

提出的方法

• 采用包含中性线显式表示（4×4阻抗矩阵）的三相潮流方程，构建非线性、非凸优化模型，以捕捉不平衡网络运行状态。
• 纳入多种技术约束：电压限值、电流限值、电压不平衡度（VUF）以及中性线对地电压限值。
• 采用多场景、时间序列方法，对不同时间段内变化的负荷和光伏发电配置进行建模。
• 应用自定义优化框架（不依赖商业求解器），精确计算主动功率和无功功率反送极限的DOE边界。
• 通过系统性地排除或包含特定约束，比较不同场景下的结果，以隔离其对DOE大小和形状的影响。
• 在两个实际低压配电网案例中验证模型：一个来自克罗地亚，一个来自澳大利亚，其网络拓扑和负荷配置各不相同。

(a)

实验结果

研究问题

• RQ1 电压不平衡约束如何影响单相分布式发电单元的计算动态运行包络？
• RQ2 电流限值和电压限值在多大程度上影响低压配电网中分布式发电机的可行反送容量？
• RQ3 在DOE模型中忽略电压不平衡，如何导致对可实现DG反送功率的高估？
• RQ4 负荷和发电的时空变化对DOE形状和大小有何影响？
• RQ5 不同网络拓扑（如中性点接地方式）如何影响DOE计算中技术约束的紧致性？

主要发现

• 电压不平衡约束显著降低了单相DG单元的可行反送容量，包含VUF限值的场景下，最大反送功率相比忽略该约束的模型降低了30%至40%。
• 忽略电流约束的模型（如使用无模型或迭代方法）会产生过于乐观的DOE估计，此类场景下的发电功率是包含约束情况下的数倍之多。
• 当引入电流约束时，DOE曲线的形状发生变化，表明这些约束不仅具有紧致性，还改变了可行反送容量的时间分布特性。
• 在克罗地亚案例研究中，纳入电压不平衡和电流限值后，有功功率反送水平低于国家电网规程定义的水平，表明静态限值不足以应对实际运行需求。
• 澳大利亚案例研究显示，不同场景下的有功发电值范围更广，表明网络布局和负荷配置会影响约束的紧致顺序及DOE的敏感性。
• 本研究证实，假设DG接入容量为恒定值是不充分的，因为实际可行功率随网络状态、负荷和发电配置随时间变化而显著波动。

(b)