Multi-Time-Scale Coordinated Planning of Distribution Networks with High Penetration of Distributed Renewable Energy Considering Active–Reactive Power Coupled Flexibility and Voltage Risk
本文提出了一种面向主动配电网的多时间尺度协调规划方法，该方法集成了有功-无功功率耦合灵活性与电压风险控制，旨在尽管增加投资的情况下，显著提高可再生能源消纳能力、减少弃电并降低总年化成本。
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为我们的家庭和企业提供动力的电网正在经历一场悄无声息却又影响深远的变革。几十年来，电力一直以单向方式流动：从大型发电厂出发，通过电网，输送到消费者手中。这种系统设计初衷是可预测的，工程师们能够准确预知在任何给定时刻需要多少电量。然而今天，这种流动正变得具有双向性，且变得更加难以预测。屋顶太阳能电池板和当地的风力涡轮机正在向电网回馈电力，但太阳并不总是照耀，风也并不总是吹拂。这为管理这些网络的人员带来了新的挑战：当能源来源不断变化时，如何保持灯火通明并维持电压稳定。解决方案不仅在于增加更多的电线或电池，更在于理解能源生产与维持能量安全流过电线的无形力量之间，那种微妙且瞬息万变的舞步。
来自国网成都供电公司的一个研究小组开发了一种应对这一不确定未来的新方法。他们专注于一个特定的问题：当配电网充满了可再生能源时，仅仅平衡发电量与用电量之间的总量已不再足够。研究人员发现，功率变化的速率与总电量一样重要。云层掠过太阳能发电场可能在几秒钟内导致功率骤降，而需求的缓慢变化则可能持续数小时。如果电网的资源无法在正确的速度下做出响应，电压就会出现激增或跌落，从而可能损坏设备或导致停电。此外，产生这些电力的设备（如太阳能电池板上的逆变器）在同时提供有功功率（做功的能量）和无功功率（维持电压的能量）方面存在物理极限。如果太阳能电池板正全力运行以产生能量，那么它帮助稳定电压的能力就会减弱。
为了解决这个问题，研究人员创建了一种规划方法，该方法同时从三个不同的时间尺度来观察电网：快速、中速和慢速。他们没有将电网视为静态系统，而是将其视为一个需要针对不同变化速度配备不同工具的动态系统。对于秒级的快速波动，他们依靠智能逆变器和快速响应电池；对于小时级的缓慢变化，他们则使用燃气轮机和需求响应（即消费者在需要时同意减少用电量）。至关重要的是，他们的模型考虑到了这些资源之间的关联性：增加设备的有功功率输出往往会降低其提供维持电压稳定的无功功率的能力。通过提前规划这些关联关系，他们可以精确确定在哪里布置新设备，以及设备规模应达到多少，以应对最极端的场景。
该团队在一个代表典型局部电网的 69 节点馈线系统的模拟版本上测试了他们的方法。他们利用先进的计算机技术生成了数千种可能的各种天气和使用模式，包括像突然的云层遮挡或负荷快速变化这类罕见但危险的事件。通过这些模式，他们筛选出 27 个具有代表性的场景来指导规划。他们将这种全新的、具备风险意识的方法与仅关注平均状况或将有功与无功功率分开处理的旧方法进行了对比。结果令人瞩目。在采用新方法后，电网可以容纳显著更多的可再生能源。风电容量从 0.96 兆瓦增加到 1.18 兆瓦，太阳能容量从 0.56 兆瓦增长到 0.74 兆瓦。
虽然这次升级需要更高的初始投资——从 105 万美元上升到 139 万美元——但长期节省的成本却非常可观。电网运行的总年化成本下降了 18.16%，从 283 万美元降至 231.6 万美元。这种减少源于大量浪费的能源以及潜在故障成本的降低。必须被弃用的可再生能源（即因为电网无法处理而不得不丢弃的能量）减少了 85.2%。无法向客户供电的风险降低了 92.4%。或许最重要的一点是，系统对电压问题的韧性大大增强。研究人员使用一种侧重于最坏情况的指标来衡量电压偏差风险，发现新的规划方法极大地降低了发生危险电压激增或跌落的可能性。
研究还揭示了在考虑这些因素后电网结构的改变。新计划减少了对大型、响应缓慢的燃气轮机的依赖，转而更多地使用分布式、快速响应的资源，如电池和需求响应。它还要求显著提高逆变器本身的无功功率能力，以确保即使在太阳能电池板产生最大功率时，它们仍能帮助稳定电网。研究人员发现，通过在快速、中速和慢速时间尺度上协调这些不同的资源，电网可以在不牺牲安全性的情况下处理更高水平的可再生能源。研究结果表明，可靠电力服务的未来不在于建造更大、更慢的系统，而在于创建一个灵活、响应迅速，并且能够感知我们使用的能量与承载能量的导线稳定性之间复杂关系的网络。
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