[论文解读] Using Active Distribution Network Flexibility to Increase Transmission System Voltage Stability Margins

Giorgos Prionistis, Costas Vournas|arXiv (Cornell University)|Aug 18, 2022

Optimal Power Flow Distribution被引用 5

一句话总结

本文提出了一种框架，通过集中式最优潮流（OPF）优化，利用主动配电网（ADN）的灵活性来提升输电系统电压稳定裕度（VSM）。通过将ADN灵活性建模为PQ平面上的可控PQ区域，并采用两种不同方法定义该区域——特别是使用一种可推广的线性近似方法——该方法使输电系统运营商（TSO）能够最优调度ADN的无功和有功功率注入，从而在满足配电网约束的前提下，使测试系统中的VSM提升最高达11.25 MW（相对提升10%）。

ABSTRACT

The increasing penetration of Distributed Energy Resources (DER) in the distribution network creates new challenges in the operation of both the transmission and the distribution network. However, the controllability of the converter interfaced devices (CIG), also unveils opportunities for flexible operation and provision of ancillary services with or without economic incentives. The main scope of this work is to create a framework in order to calculate the operational flexibility of an Active Distribution Network and use it to address a centralized Optimal Power Flow Problem by the Transmission System Operator, and in particular the Voltage Stability Margin maximization. Two different approaches are proposed to calculate the Flexibility Region (FR) in the PQ plane, and the centralized optimization is applied to simple and more complex transmission test systems and feeder configurations.

研究动机与目标

• 开发一种用于量化和利用主动配电网（ADN）运行灵活性的框架，以支持输电系统电压稳定性。
• 通过将ADN建模为高压/中压变电站接口处的等效PQ注入，解决TSO对配电网数据访问受限的挑战。
• 通过使用ADN灵活性进行集中优化，最大化输电系统的电压稳定裕度（VSM），同时遵守ADN运行约束。
• 通过时域仿真和长期负荷爬坡测试验证所提方法的有效性。

提出的方法

• 提出两种方法用于在PQ平面上定义灵活性区域（FR）：针对简单馈线采用直接线性近似，针对复杂馈线采用可推广的基于采样的线性方法。
• 通过在不同约束条件下求解一系列最优潮流（OPF）问题，推导出FR，确保捕获所有可行的P和Q注入。
• 在TSO层面构建集中式OPF问题以最大化VSM，将各ADN的FR作为约束条件。
• 通过非线性优化问题（方程45）计算ADN元件（如CIGs、LTCs）的最优P和Q设定值，实现集中式解决方案的实施。
• 采用长期时域仿真验证，通过ADN资源的动态控制可实现参考VSM值。
• 该框架在IEEE北欧测试系统上进行了测试，采用2母线和30母线ADN配置，验证了其可扩展性和鲁棒性。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何量化并表示主动配电网（ADN）的运行灵活性，使其在PQ平面上表现为一个可行区域？
• RQ2 当通过集中式优化协调时，ADN灵活性对输电系统电压稳定裕度（VSM）有何影响？
• RQ3 所提出的框架是否能通过ADN资源的时变控制实现预期的VSM提升，且经由长期仿真验证？
• RQ4 与现有方法相比，该方法在实时应用中的效率和计算可行性如何？
• RQ5 在考虑实际运行约束的前提下，ADN资源最优调度可实现的最大VSM提升是多少？

主要发现

• VSM从无ADN支持时的113.34 MW提升至ADN支持时的124.59 MW，相对提升10%，绝对增益达11.25 MW。
• 表IX中计算出的CIGs和LTCs最优控制设定值使系统达到参考VSM值，验证了该解决方案的可行性。
• 长期仿真显示，在ADN支持下最大负荷点达到123.2 MW，与VSM解124.59 MW非常接近，证实了优化的准确性。
• 30母线ADN的总CIG容量为29.15 MVA，在提升VSM过程中实现了其无功功率能力的38%有效利用。
• 所提方法在保持配电网安全的同时实现了显著的VSM提升，展示了非侵入性和可扩展性。
• 结果证实，通过协调的、基于灵活性的ADN控制可预防电压崩溃并增强输电系统安全性。