主动配电网能量管理与分布式集群控制

2018年电力系统自动化学术交流会，北京，2018-11-15清华大学电机系电力系统研究所所长电力系统自动化专委会配用电学组报告提纲背景与整体思路726-青柯乙12-隔田线背景与整体思路◆大规模可再生能源并网导致低惯性系统全球风电累计装机容量(单位：GW世界4.05亿千瓦调节能力下降背景与整体思路主动配电网包含多个区域系统，这些系统能够控制由大量分布式资源——分布式发电、负荷、储能所构成的集合。配电系统运营商通过灵活可变的网络拓扑能够管理配电网的潮流,在具备一定调控能力且满足并网要求的前提下，分布式可r背景与整体思路“集群自律-协同优化”“激励-响应”的在线优化控制“激励-响应”的在线优化控制集群同步化控制基于势博弈的动态集群同步化控制决策输配之间输配之间配网内部集群自律主动配电网调控体系架构：“分群自治-多级协调”调度输配协同的优化调度，提升消纳能力。高效运行采用凸松弛和不确定性优化理论，实现高效运行配电网运行评估、有功无功协调的优化友好并网采用“激励-响应”的在线优化控制方友好并网法，实现类“虚拟电厂”的集群同步化汇报提纲集群：由地理或电气上相互接近或形成互补关系的若干发电单元所构成的集合整体接入系统，对外呈现友好调控特性实现群内可再生能源灵活并网控制挑战：调控对象量大分散，协调困难M:主网DPS:分布式电站DG:分右式发电C:用户集样1集群了四集样1集群了集群2④④电压支撑可再生能源模拟同步发电机外特性核心物理问题：在线协调规模庞大、特性复杂、控制困难的可再生能源发电集群，实现合理的功率分配和友好的外部特性一、分布式集群控制如何高效控制分布式资源集群?√采集数据——集中优化——下发指令控制中心>缺点满足灵活性要求；分布式生单点故障，无法满足可靠资源性要求。分解协调架构基于反馈机制分解协调架构基于反馈机制集群协调器广播’设设通信备通信一、分布式集群控制敏捷基于消息传递框架·实现分布式自律调控体系·避免集中式构架的单点失效风险·信息安全即插即用可以自由接入电网·的模型和运行信息一、分布式集群控制应用1:风电集群虚拟同步化控制控制提供频提供频率支撑子动能改变输出电磁功率改变输出电磁功率件转速l控制集群控制集群控制惯量支撑频率支撑应用1:风电集群虚拟同步化控制(续)f.Pee-P③风机1③风机1P②②③③通信王王结果PJPJ应用1:风电集群虚拟同步化控制(续)30%风电渗透率算例分析场景1:系统频率下降场景2:系统频率上升存在通信故障时的频率稳定时间：Case无故障故障1故障2故障3存在通信时延时的频率稳定时无时延1一、分布式集群控制应用2分布式光伏集群动态电压同步控制非线性约束二次规划原始优化模型：三相非线性I潮流约束s.t.g(v,q)=0无功出力-|--q≤q≤q约束盒约束二次规划线性化优化模型：清华大学电机系·系统电压变化实际系统·反馈最新状态应用2分布式光伏集群动态电压同步控制(续)#(通信中断)(通信完备)应用3基于动态模拟试验平台通讯层一、分布式集群控制一、分布式集群控制应用3基于动态模拟试验平台(续)屋顶光伏无功功率响应测试屋顶光伏的逆变器采用以太网ModbusTCP和硬件控制器通讯，通过优化变流器控制参数，无功指令测试响应时间在30ms以内完成，可以达到与SVG相当清华大学电机系应用3基于动态模拟试验平台(续)水*CLP二、区域配电网优化调度>优化目标与挑战降低网损经济区域协同优化电压安全安全光伏与负荷具有随机性和波动性，优化运行需要考多时间尺度分布式电源、储能、无功补偿装置、联络开关等设备众多模型本质为混合整数非凸优化问题，难以有效求解集群最优运行点装置调整策略有功计划集群设备状态滚动调度计划不确定性控制指令实时量测集群最优运行点装置调整策略有功计划集群设备状态滚动调度计划不确定性控制指令实时量测24小时(15分钟*96)4小时(15分钟*16)15分钟(15分钟*1)关注经济性(不确定性)关注安全性(确定性)二、区域配电网优化调度口最优潮流的非凸性质q₁=-B₁V²+B,VVcosO,-G₁VV>有载调压器约束U,=t;U,最优潮流凸松弛和可行解的关系行解行解优解辐射网环网原始非凸可行域凸松弛SOC松弛后的凸可行域Csoc环网优化模型Py=G₁U₁-G₁K₁-B₁Ly潮流模型非凸：凸松弛后才能有效求解procedure恢复可行解f(x)≥f(x,xk))凸函数凸函数Kζ+L²=UU;凸松弛(SDP,SOCP)不可行解，原问题的下界P₁=G₁U,-G₂K₁-B,Ly二、二、区域配电网优化调度口最优潮流二阶锥松弛的可行解恢复算法(续)Ref.Obj.9*9×××*>在全部算例中，ACP的松弛变量都收敛为零，其中9个算例求得全局最优解，1个算例求得局部最优解，与全局最优解差距为0.01%>ACP求解速度比基于SDP或QCQP的方法更快二、区域配电网优化调度二、区域配电网优化调度应用1配电网无功电压与网络重构综合优化目标网损、弃光量、电压偏差、三相不平衡程度无功优化无功优化不不光伏的无无功补偿装有载调压变十计算时间(s)57.127.5Ⅱ网损降低77.7%69.9%81.2%计算时间(s)0.137.738.2计算时间(s)0.121.918.1网损降低计算时间(s)不可行不可行二、区域配电网优化调度应用2随机优化调度负荷值指标EtBE正态分布威布尔分布核密度估计混合高斯分布清华大学电机系提出了随机优化调度的解析算法：考虑机会约束的随机动态经济调度问题求解时间测试电网机会约求解时间(秒)□-配电网不同于输电网的最大区别：(1)PQ不解耦，有功功率对电一解决方案：实时调度和电压控制都与有功功率有关，需要综合考虑，使用两阶段优化模型S.t.总成本(10°元二、区域配电网优化调度总成本(10°元应用3二阶段鲁棒PQ协调实时调度(考虑PQ耦合)分布传统鲁棒方法分布传统鲁棒方法分布传统鲁棒方法分布传统鲁棒方法分布传统鲁棒方法分布传统鲁棒方法分布传统鲁棒方法可再生能源的预测方差使用考虑校正控制的实时调度模型，减小了校正控制的负担，降低了总成本实时监视与控制系统储能清三、输配双向协调调度分解协调分解协调基于凸松弛优化的输配一体化潮流与合环基于多参数规划的分解协调优化基于广义Benders分解的协调优化三、输配双向协调调度输配网协同电压优化控制-改进广义Benders分解法输网与配网的无功输配网实际运行中的物理特点正好与广义电压的调节手段和Benders分解的数学形式相同，因而可采用广作用区别显著,需义Benders分解算法解耦主网和配网的优化控要研究主配网协同制问题，二者分别计算，并交互边界量，最终电压优化控制模式达到数学上近似全局最优的控制优化效果。和方法输网电压优化控制模型离散、连续变离散、连续变量混合的主网电压优化控制边界状态变量可行割/最恍割配网电压优化控制模型基于二阶锥松基于二阶锥松弛的主动配电网无功优化三、输配双向协调调度算例1:配电网DG接入造成的过电压问题每一个配电网的节点35、36、37接入DG,DG有功注入不同量的有功，分别采用独立优化方法和分解协调方法，观察得到的配电网电压越限节点数,如下图分解协调迭代5-6次收敛输电网配电网配电网清华大学电机系三、输配双向协调调度三、输配双向协调调度算例2:输配网协同动态经济调度一多参数规划投影分解输网经济调度问题配网经济调度问题xdst,keXdist,kFC:使配网问题可行的边界变量约束集CR(my:与局部最优成本函数C(m)对应的边界变量局部区间●Xtrans:输网运行、安全约束●xdist,k:第k个配网优化变量xdist,k:第k个配网运行、安全约束cdist,k:第k个配网成本函数边界变量违背配网约束集，通过求解松弛的L¹或L°问题更新边界变量约束集FC。配网的最优目标函数在边界变量局部区域内关于边界变量的局部最优成本函数C(m)与相应的可行区域CR(m)。n24节点输电网+33节点配电网×324节点输电网+33节点配电网×3118节点输电网+33节点配电网×3三、输配双向协调调度算例2:算例测试Obj.Err.2Obj.Err.2全第林(及以上电两地组线采图22镇搜树海6响洪甸电站示范区包括110KV变电站2个，35KV变电站5个，35kV线路13条，10干伏线路41条，接入的可再生能源总量为335MW。集时致：61变电站数：35kV站10个220kV站