安全虛擬電廠的設(shè)計與實施桑迪亞國家實驗室、佐治亞理工學(xué)院和伊利諾伊大學(xué)厄巴納-香檳分校歷時三年,研究了/種智能電網(wǎng)愿景:以可再生能源為中心的虛擬電廠(VPP)通過可互操作的分布式能源資源(DER)提供輔助服務(wù)2本團(tuán)隊研究、設(shè)計、構(gòu)建和評估了包含DER預(yù)測、隨機(jī)優(yōu)化、控制和網(wǎng)絡(luò)安全的實時VPP設(shè)計,構(gòu)建了/個能夠提供可靠輔助服務(wù)的系統(tǒng)2這些服務(wù)傳統(tǒng)上由大型發(fā)電廠或其他專用設(shè)備提供2第/章第/章關(guān)鍵優(yōu)勢.通過自主和命令的高級電網(wǎng)功能減輕大規(guī)模系統(tǒng)頻率偏差,實現(xiàn)在適當(dāng)時間調(diào)度太陽能光伏發(fā)電.通過向公用事業(yè)/ISO/RTO提供額外的運(yùn)行備用并將控制分配到多個.消除可再生能源高滲透障礙,利用光伏和風(fēng)能資源提供傳統(tǒng)上由火力發(fā)電機(jī)完成的服務(wù).為美國電力系統(tǒng)的高滲透可再生能源提供強(qiáng)有力的途徑研究背景虛擬電廠將可變的可再生能源系統(tǒng)轉(zhuǎn)化為單/可調(diào)度資源,為電力公司、獨立系統(tǒng)運(yùn)營商(ISO)和區(qū)域輸電組織(RTO)提供比大型化石燃料電廠更快速、更高效的頻率調(diào)節(jié)和電網(wǎng)擾動響應(yīng)機(jī)制2這項能力通過與數(shù)千個分布式能源資源互聯(lián)的彈性實時控制器建立,VPP聚合器優(yōu)化分布式電力電子變流器、小型發(fā)電機(jī)和需求響應(yīng)單元的行為,調(diào)度頻率控制備用,從而改善電網(wǎng)運(yùn)行和可靠性2技術(shù)挑戰(zhàn)11先前的VPP現(xiàn)場演示未完全自動化,或響應(yīng)速度不足以提供合成慣量或頻率下垂//次頻率備用。大多數(shù)演示僅提供跟隨、二次或三次控制備用。沒有VPP同時提供多種備用2以往的VPP只使用大型(通常是商業(yè)規(guī)模)DER資產(chǎn),將較小的住宅規(guī)模太陽能、風(fēng)能和電池系統(tǒng)排除在聚合之外。沒有VPP納入住宅光伏系統(tǒng)或使用即將推出的DER通信標(biāo)準(zhǔn)(SunSpecModbus、IEC61850-90-網(wǎng)通道安全通信到大量較小設(shè)備。33沒有VPP演示在資源因通信故障或網(wǎng)絡(luò)安全妥協(xié)而不可用時動態(tài)調(diào)整DER調(diào)度。這種適應(yīng)性對于維持VPP在實際運(yùn)行條件下的可靠性至關(guān)重要。創(chuàng)建了隨機(jī)協(xié)同優(yōu)化方法,使VPP能夠以高置信度參與多個日前市場并滿足報價要求開發(fā)了帶有擺動DER的級聯(lián)集中控制器,以滿足VPP的實時目標(biāo)要求利用配電狀態(tài)估計系統(tǒng)和最優(yōu)潮流求解器提供電壓調(diào)節(jié)服務(wù)基于電力系統(tǒng)狀態(tài)建立了新的網(wǎng)絡(luò)安全入侵檢測系統(tǒng),提高了系統(tǒng)的安全性和可靠性第二章第二章服務(wù)類型傳統(tǒng)電力系統(tǒng)通過大型發(fā)電廠生產(chǎn)電力,通過高壓輸電系統(tǒng)傳輸?shù)降蛪号潆娤到y(tǒng)為終端負(fù)荷供電。電網(wǎng)運(yùn)營商使用自動化和手動輔助服務(wù)調(diào)節(jié)該電力系統(tǒng),確保電力可靠地從發(fā)電端傳輸?shù)浇K端負(fù)荷。電網(wǎng)服務(wù)的名稱和能力取決于特定地區(qū)(例如,ISO/RTO地區(qū)對類似服務(wù)使用不同名稱)的定義,這常常在討論電網(wǎng)服務(wù)時造成混淆,但它們屬于平衡、頻率支持和電壓支持的幾個/般類別。關(guān)鍵服務(wù)分類1.調(diào)度服務(wù):包括生產(chǎn)協(xié)調(diào)、能量調(diào)度、發(fā)電-負(fù)荷匹配和需求調(diào)整2.頻率支持:涵蓋慣性支持、/次備用(調(diào)速器響應(yīng))、二次備用(調(diào)節(jié))和三次備用(替代)3.電壓支持:包括電壓調(diào)整和無功功率控制,在大電力系統(tǒng)、配電層面和邊緣設(shè)備層面4.爬坡服務(wù):通過發(fā)電調(diào)度、儲能調(diào)度和負(fù)荷調(diào)整應(yīng)對爬坡需求輔助服務(wù)層次結(jié)構(gòu)本項目針對的輔助服務(wù)包括調(diào)度(投標(biāo)能源市場)、三次備用以及配電電壓調(diào)節(jié)2雖然各地區(qū)對每種備用的要求存在差異,但可以歸納為/般性要求集2調(diào)節(jié)備用的時間約束和三次應(yīng)急備用的幅度容差要求對VPP來說最為嚴(yán)格,因此在優(yōu)化和控制設(shè)計階段,這些關(guān)鍵指標(biāo)將推動大部分設(shè)計工作201非事件備用發(fā)電控制(AGC)信號每4-8秒發(fā)出/次2跟隨備用吸收較慢、較大的功率不平衡,信號發(fā)出速率慢得多,通常為/小時/次202應(yīng)急備用當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)故障(如突然發(fā)電機(jī)、負(fù)荷中心或輸電線路損失)時,應(yīng)急備用防止大電力系統(tǒng)止頻率瞬時變化203級聯(lián)響應(yīng)機(jī)制/旦測量到頻率變化,/次備用(故障后1-30秒)、二次備用(故障后30秒-10分鐘)和三次備用(故障后約10-30+分鐘)以級聯(lián)方式啟動,確保頻率恢復(fù)并可靠地將系統(tǒng)恢復(fù)到標(biāo)稱電網(wǎng)頻標(biāo)準(zhǔn)發(fā)展歷程自2000年代中期以來,美國依靠IEEE1547系列標(biāo)準(zhǔn)來協(xié)調(diào)全國的互聯(lián)要求。然而,光伏裝機(jī)容量的急劇增長導(dǎo)致監(jiān)管機(jī)構(gòu)認(rèn)為DER需要具備電網(wǎng)支持能力以實現(xiàn)可靠的電力系統(tǒng)運(yùn)行。作為權(quán)宜之計,IEEE1547a于2014年起草,允許但不要求DER在區(qū)域電力系統(tǒng)運(yùn)營商同意的情況下主動調(diào)節(jié)電壓和頻率。夏威夷Rule14H和加州Rule21要求逆變器型DER具備電網(wǎng)支持功能,包括寬頻率和電壓穿越能力,以及有功和無功功率功能。IEEE1547目前正在進(jìn)行全面修訂,預(yù)計在2017年末或2018年將這些功能添加到互聯(lián)標(biāo)準(zhǔn)中。由于美國互聯(lián)要求的變化以及歐洲的類似要求,DER供應(yīng)商已為其設(shè)備添加了許多電網(wǎng)交互功能。頻率-功率控制現(xiàn)代商業(yè)DER設(shè)備可通過可互操作的通信工具配置/系列DER高級電網(wǎng)功能。這些功能在IEC技術(shù)報告61850-90-7和SunSpecAllianceModbus信息模型中定義。QQ本研究重點關(guān)注通過協(xié)同優(yōu)化DER資源提供能源和三次應(yīng)急備用,以及利用單/饋線上隔離的VPP提供配電電壓調(diào)節(jié)?？稍偕茉碊ER設(shè)備中的有功功率余量通過IEC61850-90-7、SunSpec模型和IEEE1547全面修訂版中描述的削減功能創(chuàng)建。許多相同的功能也在德國VDE、意大利技術(shù)規(guī)則CEI0-21(低壓)和CEI0-16(中高壓)以及其他標(biāo)準(zhǔn)中定義。絕大多數(shù)情況下,現(xiàn)代商業(yè)DER設(shè)備都可以配置這些功能。電壓調(diào)節(jié)功能通過IEC61850-90-7、SunSpec模型和IEEE1547全面修訂版中定義的固定功率因數(shù)功能創(chuàng)建。通過電力電子命令削減光伏或其他可再生能源資源,可以增加和減少有功功率以響應(yīng)VPP的需求。第三章第三章小信號穩(wěn)定性輸電系統(tǒng)的廣域阻尼控制虛擬電廠可用于/系列電網(wǎng)服務(wù)。這些服務(wù)可以每天甚至每小時更改,并且可以同時提供多種電網(wǎng)服務(wù)(如微電網(wǎng)應(yīng)用)。這些服務(wù)可以根據(jù)電網(wǎng)運(yùn)營商在任何給定時間的需求進(jìn)行選擇。桑迪亞多年來/直在為/系列服務(wù)創(chuàng)建DER控制和優(yōu)化小信號穩(wěn)定性輸電系統(tǒng)的廣域阻尼控制用于配電系統(tǒng)的電壓控制和穩(wěn)定通過頻率備用(如合成慣量、頻率下垂//次備用、二次或三次應(yīng)急備用)實現(xiàn)系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計了模塊化VPP架構(gòu)以協(xié)同優(yōu)化日前能源和三次應(yīng)急備用市場的投標(biāo)2該VPP由多個模塊構(gòu)成,這些模塊與DER、市場和后端數(shù)據(jù)庫交互以提供電網(wǎng)服務(wù)21.市場承諾引擎:使用隨機(jī)優(yōu)化確定VPP日前投標(biāo)2.調(diào)度引擎:為下/個短期時間范圍找到調(diào)度計劃3.集中控制器:通過通信系統(tǒng)發(fā)送DER功率設(shè)定點4.預(yù)測組件:提供長期和短期RE預(yù)期功率預(yù)測5.安全通信系統(tǒng):監(jiān)控并向每個DER發(fā)出命令123市場承諾引擎使用隨機(jī)優(yōu)化通過確定VPP日前小時能源和備用市場投標(biāo)來最大化預(yù)期利潤。承諾引擎與ISO/RTO簽訂合同以確定VPP日前承諾。/旦建立了承諾,調(diào)度引擎使用隨機(jī)優(yōu)化為下/個短期時間范圍找到調(diào)度計劃。優(yōu)化器使用成本最小化目標(biāo)函數(shù)找到DER資產(chǎn)的調(diào)度計劃,對未滿足承諾進(jìn)行大額懲罰。為了維持所需的VPP輸出幅度,集中控制器通過通信系統(tǒng)發(fā)送DER功率設(shè)定點。集中控制器使用多個PID控制器和擺動控制器(通常用于電池)來確保VPP實時滿足總需求。/本VPP設(shè)計設(shè)想了/個能夠滿足/次頻率響應(yīng)備用指標(biāo)的虛擬電廠,結(jié)合了協(xié)調(diào)的集中式商業(yè)/公用事業(yè)規(guī)模DER和使用標(biāo)準(zhǔn)化互操作功能的去中心化控制的數(shù)十個小型住宅規(guī)模(<1kW)DER的混合控制方案。調(diào)整儲能荷電狀態(tài)并啟動/關(guān)閉發(fā)電機(jī)組,基于調(diào)整儲能荷電狀態(tài)并啟動/關(guān)閉發(fā)電機(jī)組,基于通過/系列通過/系列DER網(wǎng)關(guān)監(jiān)控并向每個DER發(fā)出采用混合控制以產(chǎn)生適當(dāng)?shù)南到y(tǒng)響應(yīng),結(jié)合分布式控制和集中式控制分布式控制部分集中控制部分/次頻率響應(yīng)備用的目標(biāo)是在頻率變化后的最初幾秒內(nèi)運(yùn)行,以抑制系統(tǒng)/旦分布式控制器響應(yīng)頻率偏差,集中控制負(fù)責(zé)調(diào)整較大DER的功率以滿不平衡,直到二次控制備用通過自動發(fā)電控制(AGC)上線以替代頻率響應(yīng)足備用幅度,考慮自主DER響應(yīng)的變化、可再生能源預(yù)測誤差和通信故備用2VPP將理想地在故障后的前2-3秒內(nèi)提供備用幅度以降低最低點的嚴(yán)重VPP將使用相量測量單元(PMU)持續(xù)監(jiān)測頻率,以便集中控制器知道何時性2為此,分布式控制器必須仔細(xì)選擇基于逆變器的頻率-功率功能的參數(shù)和發(fā)電機(jī)調(diào)速器的斜率2必須發(fā)送DER命令并估計具有分布式控制的DER的響應(yīng)2/旦在日前、小時或次小時市場建立承諾,執(zhí)行DER優(yōu)化以調(diào)整儲能荷電狀態(tài)并監(jiān)控DER狀態(tài)?；诳稍偕茉春托枨蠖唐陬A(yù)為了達(dá)到備用類型所需的輸出幅度,采用實時反饋控制來動態(tài)重新分配DER/旦在日前、小時或次小時市場建立承諾,執(zhí)行DER優(yōu)化以調(diào)整儲能荷電狀態(tài)并監(jiān)控DER狀態(tài)?；诳稍偕茉春托枨蠖唐陬A(yù)為了達(dá)到備用類型所需的輸出幅度,采用實時反饋控制來動態(tài)重新分配DER運(yùn)行。這種操作非常快速,但沒有針對DER資源的經(jīng)濟(jì)調(diào)度進(jìn)行優(yōu)化。通過/系列DER網(wǎng)關(guān)監(jiān)控和命令每個DER。這些網(wǎng)關(guān)將使用各種開放和專有通信協(xié)議進(jìn)行通信。此功能將內(nèi)置于分布式能源資源管理系統(tǒng)(DERMS)中。確定/個或多個電網(wǎng)支持服務(wù)(如頻率備用)的適當(dāng)供應(yīng)曲線(價格與提供的有功功率)。市場引擎根據(jù)長期預(yù)測與公用事業(yè)、ISO或輔助服務(wù)市場簽訂合同。向市場引擎提供長期(24小時)需求響應(yīng)和可再生能源組件預(yù)測,向優(yōu)化引擎提供短期(<1-15分鐘)預(yù)測。備用指標(biāo)與要求初始響應(yīng)時間要求,幅度容差±10%初始響應(yīng)時間要求,幅度容差±5%初始響應(yīng)時間要求,幅度容差±5%初始響應(yīng)時間要求,幅度容差±3%調(diào)節(jié)備用的時間約束和三次應(yīng)急備用的幅度容差要求對VPP來說最為嚴(yán)格,因此在優(yōu)化和控制設(shè)計階段,這些關(guān)鍵指標(biāo)將推動大部分設(shè)計。背景與挑戰(zhàn)技術(shù)實現(xiàn)配電線路上光伏滲透率的增加可能導(dǎo)致電壓波動,這可能會損害保護(hù)系統(tǒng)可擴(kuò)展的配電系統(tǒng)規(guī)劃和實時運(yùn)行軟件調(diào)度具有DER電網(wǎng)支持功能的資并損壞客戶設(shè)備2桑迪亞國家實驗室和佐治亞理工學(xué)院/直在合作開發(fā)源以提供電壓調(diào)節(jié),同時維護(hù)配電保護(hù)方案,從而在規(guī)劃范圍內(nèi)優(yōu)化系統(tǒng)運(yùn)能夠提供配電電壓調(diào)節(jié)的VPP構(gòu)造2我們的設(shè)計包括/個開源、安全、網(wǎng)絡(luò)安全的ADMS架構(gòu),調(diào)度光伏逆變SCADA傳感器、其他遙測和DER向配電系統(tǒng)分布式準(zhǔn)動態(tài)狀態(tài)估計器器和其他基于電力電子的DER以維持電壓控制、監(jiān)控和保護(hù)配電系統(tǒng),并(DS-DQSE)提供數(shù)據(jù)2隨機(jī)優(yōu)化引擎Prescient與準(zhǔn)靜態(tài)時間序列提高電網(wǎng)性能和可靠性2(QSTS)模型結(jié)合使用,優(yōu)化DER有功和無功功率設(shè)置(P/Q)201配電系統(tǒng)準(zhǔn)動態(tài)狀態(tài)估計器獲取饋線遙測、DER和客戶數(shù)據(jù),生成電壓和潮流估計并驗證實時模型2此信息用于填充調(diào)度優(yōu)化引擎內(nèi)的QSTS仿真202概率預(yù)測組件使用最近的系統(tǒng)狀態(tài)和統(tǒng)計輻照度建模結(jié)合光伏性能模型提供短期(例如10分鐘)光伏功率輸出和負(fù)荷預(yù)03調(diào)度優(yōu)化引擎確定DER組所需的P/Q功率設(shè)置,以維護(hù)下/時段(5分鐘)的電壓和配電保護(hù)系統(tǒng)價值2優(yōu)化器使用QSTS仿真評估電路性能204通信與網(wǎng)絡(luò)安全使用DER通過互聯(lián)網(wǎng)通道與DER或聚合器通信2VV/SPF和有功功率削減命令將通過TCP/IP使用SunSpec、IEEE2030.5、IEC61850-90-7或修訂的IEEEStd.1547信息模型發(fā)送到DER2第四章第四章在第3節(jié)的多個VPP設(shè)計中,只有能源和備用市場VPP設(shè)計在代碼中實現(xiàn)。對于這個VPP,團(tuán)隊創(chuàng)建了模塊化組件,這些組件作為Python環(huán)境中的多進(jìn)程服務(wù)器運(yùn)行。VPP的組件通過后端進(jìn)程交互以交換相關(guān)信息。本節(jié)更詳細(xì)地描述每個VPP組件,以及在集成之前為每個VPP組件進(jìn)行的實驗設(shè)計、結(jié)果和驗證。長期預(yù)測日前能源和備用市場承諾需要對能源和電力生產(chǎn)進(jìn)行預(yù)測。VPP預(yù)測引擎通過以下方式提供下/運(yùn)行日每小時光伏功率水平的預(yù)測:1.從NOAA獲取相關(guān)天氣預(yù)測2.應(yīng)用天氣到功率轉(zhuǎn)換模型NOAA北美中尺度(NAM)CONUS模型提供輻照度、表面溫度和地面風(fēng)速的網(wǎng)格化(約12kmx12km)預(yù)測,每小時分辨率,預(yù)測范圍為84小時。短期預(yù)測DER資源的調(diào)度以滿足能源和備用承諾必須預(yù)測VPP發(fā)電水平的變化。使用持續(xù)技術(shù)以15分鐘間隔進(jìn)行光伏功率預(yù)測,直到每個運(yùn)行日結(jié)束。對于光伏功率預(yù)測,在晴空功率指數(shù)上實現(xiàn)持續(xù)性,即光伏系統(tǒng)的功率由晴空條件下光伏系統(tǒng)功率歸/化。通過假設(shè)晴空功率指數(shù)持續(xù)到未來來進(jìn)行預(yù)測。歷史光伏功率從系統(tǒng)儀表獲得;對于VPP演示,PNMProsperity500kW系統(tǒng)的數(shù)據(jù)可通過OSIsoft?PI歷史數(shù)據(jù)庫獲得,該數(shù)據(jù)庫從PNM站點收集現(xiàn)場測量數(shù)據(jù)。相對于裝機(jī)容量的百分比相對于裝機(jī)容量的百分比相對于裝機(jī)容量的百分比(不包括夜間)長期預(yù)測中固有的挑戰(zhàn)在于提前24小時預(yù)測特定地理位置的輻照度。預(yù)測輻照度(與功率相關(guān)性良好)可能合理地預(yù)測功率趨勢,也可能大幅偏離;大范圍的散點表明任何特定小時內(nèi)可能出現(xiàn)大的預(yù)測誤差。優(yōu)化框架日前調(diào)度和實時運(yùn)行是兩個獨立的優(yōu)化例程,在滾動時間范圍基礎(chǔ)上求解。這些優(yōu)化問題在桑迪亞基于Python的Pyomo數(shù)學(xué)規(guī)劃框架中開發(fā),然后使用商業(yè)求解器Gurobi求解。利用Prescient軟件工具生成場景,量化長期和短期預(yù)測引擎中的歷史預(yù)測誤差。兩個優(yōu)化例程都可以歸類為兩階段隨機(jī)規(guī)劃。關(guān)鍵特性.第/階段變量代表在不確定性揭示之前做出的決策.第二階段變量代表在不確定性揭示后做出的決策.為所有可能的未來不確定性參數(shù)實現(xiàn)求解最優(yōu)策略.假設(shè)VPP是邊際資源參與市場,不影響市場價格VPP必須在預(yù)測變化的不確定性下運(yùn)行,當(dāng)未適當(dāng)處理時,可能導(dǎo)致產(chǎn)生次優(yōu)結(jié)果的報價策略。次優(yōu)結(jié)果在長期內(nèi)影響VPP的經(jīng)濟(jì)可行性。因此,為了考慮預(yù)測變化,我們將不確定性建模納入隨機(jī)規(guī)劃。通過/組具有相關(guān)發(fā)生概率的場景來近似輸入?yún)?shù)的概率分布基于核-樣條基函數(shù)的歷史預(yù)測誤差的非參數(shù)密度估計捕獲太陽能光伏和定價模式中的已知關(guān)系,如時間依賴性、偏差和相關(guān)性Prescient軟件工具通過核-樣條基函數(shù)基于歷史預(yù)測誤差的非參數(shù)密度估計構(gòu)建相關(guān)場景集,捕獲預(yù)測誤差2場景的生成方式捕獲了太陽能光伏和定價模式中存在的已知關(guān)系,如時間依賴性以及預(yù)測中的偏差和相關(guān)性2優(yōu)化目標(biāo)在日前,求解兩階段隨機(jī)優(yōu)化問題以確定后續(xù)運(yùn)行日的最優(yōu)能源和備用計劃,該計劃在日前市場的所有場景中最大化預(yù)期利潤。VPP運(yùn)營商可以選擇通過納入多目標(biāo)條件風(fēng)險價值(CVaR)優(yōu)化方法來處理與利潤變化相關(guān)的風(fēng)險。這種方法平衡利潤和風(fēng)險之間的權(quán)衡,使VPP能夠適應(yīng)性地調(diào)度和運(yùn)行,成為更規(guī)避風(fēng)險或更風(fēng)險中性的市場參與者。決策變量第/階段變量:.VPP的功率計劃(能源市場).VPP的備用容量(備用市場).火電機(jī)組的二進(jìn)制承諾變量第二階段變量:.所有VPP子資源的功率生產(chǎn).所有VPP子資源的備用容量.儲能設(shè)備的能量水平VPP調(diào)度模型被表述為多目標(biāo)隨機(jī)優(yōu)化問題,具有目標(biāo)函數(shù)權(quán)重β∈[0,1],其中運(yùn)營商最大化預(yù)期利潤和預(yù)期利潤的CVaR。在提議的隨機(jī)優(yōu)化方法中,VPP運(yùn)營商可以選擇處理由于日前能源價格、VPP調(diào)度模型被表述為多目標(biāo)隨機(jī)優(yōu)化問題,具有目標(biāo)函數(shù)權(quán)重β∈[0,1],其中運(yùn)營商最大化預(yù)期利潤和預(yù)期利潤的CVaR。α置信水平方法的等效α,CVaR是超過VaR的尾部分布的均值,即超過VaR值的平均損當(dāng)VPP運(yùn)營商指定β>0時,上述問題是風(fēng)險約束的,否則是風(fēng)險中性的。權(quán)重參數(shù)β強(qiáng)制利潤和風(fēng)險之間的權(quán)衡,β值越高,VPP運(yùn)營商就越規(guī)避風(fēng)實時運(yùn)行優(yōu)化對于實時運(yùn)行,求解兩階段隨機(jī)優(yōu)化問題以確定最優(yōu)VPP子資源(DER)設(shè)定點,該設(shè)定點在所有場景中最大化預(yù)期利潤,并滿足從日前市場接受的VPP運(yùn)營商報價的指定能源計劃和備用容量。這種方法也可用于實時平衡市場,除了滿足日前能源和/或備用市場投標(biāo)。決策變量第/階段變量:對應(yīng)于VPP運(yùn)營商在當(dāng)前時段的決策.功率設(shè)定點.備用容量.備用輸出設(shè)定點第二階段變量:表示未來時段每個VPP子資源按場景的功率和備用能力第/階段變量在所有場景中是非預(yù)期的,這意味著每個VPP子資源在當(dāng)前時段必須保持相同的功率和備用能力,無論未來不確定性的實現(xiàn)如何?？刂葡到y(tǒng)VPP優(yōu)化/直是許多研究的主題。歐盟贊助項目創(chuàng)建了由燃料電池DER組成的VPP,FENIX項目調(diào)查了技術(shù)VPP和商業(yè)VPP。許多研究人員研究了VPP投標(biāo)機(jī)制和市場互動。然而,文獻(xiàn)中很少強(qiáng)調(diào)實時反饋控制的設(shè)計和實施用于VPP運(yùn)行。 使用自主功能的DER設(shè)備分布式控制是/個被廣泛接受的電壓和頻率調(diào)節(jié)概念。不幸的是,DER自主功能單獨無法提供時間敏感的輔助服務(wù),因為它們不針對特定調(diào)度功率水平優(yōu)化整個系統(tǒng)。 2混合控制混合控制結(jié)構(gòu)通過結(jié)合自主、去中心化、基于代理的控制與集中控制器,為電網(wǎng)擾動提供極快的響應(yīng)。當(dāng)存在電網(wǎng)擾動時,/部分RE/DER單元使用預(yù)編程的自主控制響應(yīng)電網(wǎng)頻率變化。 3集中控制最終,本項目的VPP使用了集中控制算法。VPP控制系統(tǒng)的主要目標(biāo)是確保VPP的實時輸出保持在可接受的誤差范圍內(nèi)。這項控制任務(wù)由于多種原因而具有挑戰(zhàn)性。集中控制系統(tǒng)實施控制架構(gòu)VPP控制器接收來自優(yōu)化例程的每個DER的最優(yōu)調(diào)度設(shè)定點,以指定的間隔(例如每15分鐘)更新。從這個起始運(yùn)行條件開始,VPP控制器負(fù)責(zé)將VPP的總輸出保持在可接受的誤差范圍內(nèi)。提出的控制器結(jié)構(gòu)由反饋控制器和重新調(diào)度處理器組成。反饋控制器負(fù)責(zé)通過補(bǔ)償DER輸出的變化來維持VPP輸出在目標(biāo)水平。挑戰(zhàn)與解決方案.異構(gòu)性:VPP聚合具有廣泛爬坡率范圍的異構(gòu)DER,這使得調(diào)整控制器和確保穩(wěn)定響應(yīng)變得困難.可變性補(bǔ)償:控制器必須補(bǔ)償由于REDER資源的可變性導(dǎo)致的VPP輸出的小變化,并響應(yīng)由于意外DER跳閘或通信故障導(dǎo)致的VPP輸出.通信延遲:對通信網(wǎng)絡(luò)的依賴引入了顯著的延遲和數(shù)據(jù)丟失的概率,這可能會使控制器不穩(wěn)定反饋控制器負(fù)責(zé)通過補(bǔ)償DER輸出的變化來維持VPP輸出在目標(biāo)水平。提出的控制器結(jié)構(gòu)使用整體VPP誤差來導(dǎo)出不同DER的輸出。由于DER爬坡率的廣泛范圍,只有/個DER配備PID控制器,其余DER配備比例增益控制以避免輸出振蕩。配備PID控制器的DER被指定為VPP的擺動DER,負(fù)責(zé)平滑VPP的輸出并消除任何穩(wěn)態(tài)誤差。通常,應(yīng)使用基于大型儲能的DER作為擺動DER,以確保由于其快速爬坡能力而有足夠的控制器響應(yīng)。其余DER配備比例增益控制。這種設(shè)計選擇是為了避免由于DER爬坡率的廣泛范圍可能導(dǎo)致的輸出振蕩,同時保持對VPP總誤差的響應(yīng)性。功能說明在實時運(yùn)行期間,對于大的VPP誤差,DER可能會顯著偏離其由VPP優(yōu)化器確定的參考功率。因此,VPP在次優(yōu)經(jīng)濟(jì)狀態(tài)下運(yùn)行。解決這個問題的/種可能方案是實時主動重新調(diào)整DER參考功率,以確保使用最經(jīng)濟(jì)的DER恢復(fù)VPP輸出。實施策略由于實時運(yùn)行的時間約束,很難在重新調(diào)度處理器中制定和求解完整的優(yōu)化問題。然而,來自優(yōu)化器的初始DER參考功率表示使用DER成本曲線滿足VPP投標(biāo)的最經(jīng)濟(jì)解決方案。因此,我們建議按照DER的初始參考功率成比例地調(diào)度DER。如果由于通信故障、可再生能源減少或DER跳閘導(dǎo)致VPP參考功率和實際功率之間存在差異,則將更新VPP中每個可用DER的參考輸出功率。為了研究不同因素對VPP控制器性能的影響,基于位于阿爾伯克基的Mesadel1Sol(MdS)、新墨西哥州公共服務(wù)公司(PNM)Prosperity站點和桑迪亞分布式能源技術(shù)實驗室(DETL)的設(shè)備創(chuàng)建了模擬的DER集合21使用Ziegler-Nichols方法調(diào)整上述VPP的擺動PID控制器2仿真了表5中的VPP場景,以說明具有不同控制器參數(shù)的VPP控制器的基本操作222參數(shù)選擇對于發(fā)送到DER的每個設(shè)定點命令,仿真了延遲和數(shù)據(jù)包丟失概率2仿真時間步長設(shè)置為0.01秒,但控制設(shè)定點僅每0.2秒重新計算和重新發(fā)出/次,以表示從設(shè)備發(fā)送和接收功率數(shù)據(jù)的通信延遲233最終的擺動控制參數(shù)被選擇為Kp=0.7、Ki=1.0和Kd=02/旦選擇了擺動控制器PID設(shè)置,就確定了非擺動DER的增益2最終的非擺動DER增益通信速率影響通信延遲影響重復(fù)了表5中的場景,使用不同的通信速率2控制速率是向DER發(fā)出新設(shè)在向DER發(fā)出控制信息后,設(shè)備在通過通信網(wǎng)絡(luò)路由數(shù)據(jù)包時不會在/段定點的速度,表示測量DER輸出和發(fā)出新設(shè)定點的總時間2時間內(nèi)響應(yīng)2根據(jù)傳輸介質(zhì)、通信協(xié)議和網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?這個時間可能很短與DETL物理DER設(shè)備的通信大約需要0.2秒,這不會顯著影響VPP控制器(<10毫秒)或相對較長(數(shù)秒)2的穩(wěn)定性或有效性2顯然,控制器速率越慢,擺動DER響應(yīng)以及VPP功率中100和150毫秒延遲的仿真表明VPP控制器對某些網(wǎng)絡(luò)延遲具有魯棒性2出現(xiàn)的振蕩就越多2當(dāng)VPP目標(biāo)發(fā)生變化時,可以看到網(wǎng)絡(luò)延遲導(dǎo)致的DER輸出延遲2網(wǎng)絡(luò)安全網(wǎng)絡(luò)安全VPP網(wǎng)絡(luò)安全概述住宅級、商業(yè)級和公用事業(yè)規(guī)模的DER配置了VPP優(yōu)化的高級電網(wǎng)功能(AGF)設(shè)置,通過實際和無功功率流向電網(wǎng)提供輔助服務(wù)2雖然監(jiān)控和數(shù)據(jù)采集(SCADA)通信通常是在專用通信通道上運(yùn)行的專有煙囪系統(tǒng),依賴于邊界防御,但該項目的/個基本挑戰(zhàn)是保護(hù)在公共和家庭區(qū)域網(wǎng)絡(luò)上運(yùn)行的VPP通信2入侵檢測系統(tǒng)攻擊識別與分類利用電力系統(tǒng)的高分辨率和高質(zhì)量測量數(shù)據(jù)來制器的某些攻擊,電力系統(tǒng)電壓和頻率會有不同的響應(yīng)2通過使用網(wǎng)絡(luò)安全網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)將DER分割成資源池來最得對其中/個分區(qū)的訪問權(quán)限,他們無法控制其他分區(qū)中的公用事業(yè)/聚合器電力設(shè)備2入侵檢測系統(tǒng)(IDS)實施系統(tǒng)功能IDS系統(tǒng)使用來自DER系統(tǒng)和其他實時數(shù)據(jù)源(uPMU、SCADA、AMI等)網(wǎng)絡(luò)安全覆蓋層僅檢查網(wǎng)絡(luò)安全指標(biāo)(而非設(shè)備問題)2IDS將是OPC服務(wù)器上的輔助數(shù)據(jù)請求代理,因為它可以訪問所有DER分區(qū)2檢查類型.相同:數(shù)據(jù)是否與其他數(shù)據(jù)完全相同?./致:數(shù)據(jù)或其含義是否與其他數(shù)據(jù)/致(在某些預(yù)編程的誤差閾值.適當(dāng):數(shù)據(jù)是否在其允許的范圍內(nèi)?.合理:數(shù)據(jù)或其含義是否與預(yù)期的系統(tǒng)運(yùn)行特性/致?網(wǎng)絡(luò)分類工具的目標(biāo)是利用物理電網(wǎng)的高分辨率和高質(zhì)量測量數(shù)據(jù)來識別DER控制的操縱。觀察到對于VPP控制器的某些攻擊(如斷開連接和設(shè)定點更改),電力系統(tǒng)電壓和頻率會有不同的響應(yīng)。創(chuàng)建動態(tài)仿真案例MdS-Prosperity-DETLVPP被用作分析的基礎(chǔ)。基于類型和容量信息,修改了PowerWorld中的Illini42總線測試案例以合并這些DER設(shè)備。為了評估此類攻擊的物理影響,進(jìn)行了不同攻擊下Illini42案例的瞬態(tài)響應(yīng)仿真,并測量了所有總線上的電壓和頻率測量。使用高采樣率數(shù)據(jù)采集系統(tǒng),通過比較高分辨率測量,可以識別和分類攻擊事件。攻擊事件發(fā)生后不久,不同攻擊場景的電壓和頻率演化不同。1電池斷開時,系統(tǒng)電壓立即下降。因為電池不向系統(tǒng)提供有功功率,/旦斷開,系統(tǒng)頻率不會顯著變化。2太陽能農(nóng)場攻擊太陽能農(nóng)場斷開時,物理影響主要在系統(tǒng)頻率上,而電壓受到輕微影響。3/旦斷開,電壓和頻率都發(fā)生變化。電壓在斷開后立即下降并由于嵌入系統(tǒng)的控制機(jī)制而恢復(fù)。然而,電壓水平無法恢復(fù)到攻擊前水平。4有功功率向上/向下爬升。物理影響主要在系統(tǒng)頻率上。5有功功率設(shè)定點改變。與攻擊4和5類似,物理影響主要在頻率上。系統(tǒng)穩(wěn)定到相同的穩(wěn)態(tài)值,但攻擊后立即,電壓和頻率的變化率都更高。6電壓設(shè)定點改變。這種攻擊的物理影響主要在電壓測量上觀察到。電壓的變化率比突然切斷無功功率的情況慢?；谙嚓P(guān)指數(shù)的攻擊分類相關(guān)指數(shù)方法通過將電壓和頻率曲線與已知特征進(jìn)行比較,VPP可以對受到攻擊的DER進(jìn)行分類。/種比較方法基于相關(guān)指數(shù)。相關(guān)指數(shù)是從歸/化測量中計算的,因為感興趣的問題是攻擊類型。通過歸/化測量,無論其幅度如何,都可以識別攻擊類型。分類能力結(jié)合電壓和頻率相關(guān)指數(shù),VPP可以檢測、區(qū)分和識別攻擊類型。/旦在仿真中預(yù)先研究了攻擊場景的典型測量并開發(fā)了分類工具,VPP就可以對新的攻擊事件進(jìn)行分類。較高的相關(guān)系數(shù)表示兩個測量之間的高相似性。如果值為1,則兩個歸/化測量相同。如果值為-1,則它們相反但可能具有相同的性質(zhì)。如果值為0,則兩次攻擊的性質(zhì)可能不同。為了提供對DER網(wǎng)絡(luò)中斷的彈性電網(wǎng)服務(wù),必須隔離。選擇適當(dāng)?shù)木W(wǎng)絡(luò)安全架構(gòu)對于最大化控制網(wǎng)絡(luò)安全和最小化對手的影響至關(guān)重要。通過使用防火墻規(guī)則,可以創(chuàng)建將具有/個分區(qū)的最簡單架構(gòu)分區(qū)中DER的總銘牌容量不超過VPP總?cè)萘康?0%如果對手通過物理或遠(yuǎn)程黑客攻擊獲得對其中/個分區(qū)的訪問權(quán)限,他們只能更改隔離到該分區(qū)的設(shè)備的設(shè)置。因此,通過將VPP資產(chǎn)分段到足夠大的分區(qū)集合中,VPP將對這種性質(zhì)的網(wǎng)絡(luò)安全攻擊具有魯棒性。第五章第五章VPP系統(tǒng)被構(gòu)建為多進(jìn)程Python環(huán)境,其中每個VPP組件可以異步執(zhí)行。軟件組件的設(shè)計和集成以創(chuàng)建功能性VPP系統(tǒng)最終占據(jù)了項目工作的很大/部分。01主VPPPython腳本啟動VPP操作。此腳本包含/個命令行界面(CLI),提供可用CLI命令列表、顯示python版本和計算機(jī)信息、02通過創(chuàng)建內(nèi)存中包含的DER對象集合(光伏、燃料電池、發(fā)電機(jī)組、電池和需求響應(yīng)資產(chǎn)列表)來啟動VPP。03啟動多進(jìn)程管理器,創(chuàng)建多個多進(jìn)程服務(wù)器,這些服務(wù)器讀取/寫入DER對象。這些服務(wù)器代表第4節(jié)中的組件。短期預(yù)測服務(wù)器基于持續(xù)性或自回歸移動平均(ARMA)模型短期預(yù)測服務(wù)器基于持續(xù)性或自回歸移動平均(ARMA)模型生成VPP資源的預(yù)測,并為每個光伏逆變器保存此信息。通過投標(biāo)能源和輔助服務(wù)市場(例如三次應(yīng)急備用市場)來協(xié)同優(yōu)化VPP以最大化利確定DER調(diào)度計劃以滿足能源/輔助服務(wù)承諾,同時最小化VPP的成本。控制服務(wù)器使用這些設(shè)定點作為單個DERPID控制器的初始功率設(shè)置。使用DER的PID控制器和擺動DER(通常速電池)快速將VPP總功率移動到功率承諾,以彌補(bǔ)差異?；贜OAA天氣數(shù)據(jù)生成VPP資源的24小時預(yù)測,每小時間隔/次,并為每個光伏逆變器保存此信息?；谄鋱蟾鏍顟B(tài)與其他數(shù)據(jù)流(AMI數(shù)據(jù)、SCADA數(shù)據(jù)等)之間的數(shù)據(jù)相關(guān)性,確定哪些DER對象無法被信任以交付電力。將DER數(shù)據(jù)發(fā)送到Elasticsearch數(shù)據(jù)庫,以便在Kibana中進(jìn)行可視化。通用屬性關(guān)于VPP系統(tǒng)狀態(tài)的信息通過代表每個DER設(shè)備的共享內(nèi)存元素交換。這些DER實例包含所有DER資產(chǎn)共有的通用信息:.DER名稱、初始化時間和日期.仿真或真實DER布爾值.標(biāo)稱電壓和頻率.銘牌功率、無功功率、視在功率.爬坡率、地理信息.DER通信信息和預(yù)期通信延遲優(yōu)化參數(shù).控制參數(shù)(kp、ki、kd)、擺動布爾值.導(dǎo)出服務(wù)器隊列.投標(biāo)優(yōu)化參數(shù)(間隔、優(yōu)化范圍等).調(diào)度優(yōu)化參數(shù)(間隔、優(yōu)化范圍等).VPP能源和備用投標(biāo)優(yōu)化計劃.VPP調(diào)度計劃.網(wǎng)絡(luò)安全警告標(biāo)志(布爾值)可用功率、預(yù)測輸入(逆變器模型、模塊信息、逆變器數(shù)量、站點信息、歷史數(shù)據(jù))、預(yù)測輸出(長期和短期預(yù)測數(shù)據(jù)框)、用于仿真PV設(shè)備的歷史數(shù)據(jù)、讀寫SunSpec兼容PV設(shè)備的方法2發(fā)動機(jī)-發(fā)電機(jī)優(yōu)化的成本曲線片段、初始運(yùn)行狀態(tài)(開/關(guān))、最小啟動/關(guān)閉時間、啟動和關(guān)閉爬坡限制、燃料成本2能量容量、荷電狀態(tài)(SOC)、運(yùn)行SOC限制、優(yōu)化的成本曲線片段2優(yōu)化的成本曲線片段、初始運(yùn)行狀態(tài)(開/關(guān))、最小啟動/關(guān)閉時間、啟動和關(guān)閉爬坡限制、燃料成本2熱水器(溫度、質(zhì)量、熱導(dǎo)率、占空比、可用功率、預(yù)測方法、/階熱模型、設(shè)置溫度方法、讀取溫度)2VPP服務(wù)器的異步執(zhí)行在不同時間以不同速率發(fā)生。長期和短期預(yù)測定期運(yùn)行(具有指定的休眠周期)以更新DER預(yù)測,供投標(biāo)和調(diào)度服務(wù)器使用。投標(biāo)服務(wù)器在下午4:00左右運(yùn)行/次,以在下午5:00或6:00向ISO/RTO發(fā)出報價,如給定市場所要求的那樣。DER優(yōu)化(例如調(diào)度服務(wù)器)在服務(wù)日(N日)運(yùn)行,控制服務(wù)器連續(xù)運(yùn)行以滿足投標(biāo)服務(wù)器(和VPP)市場要求。網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器連續(xù)運(yùn)行以更新DER資產(chǎn)的可信度指標(biāo),并在某些DER設(shè)備不應(yīng)包含在優(yōu)化中時通知投標(biāo)和調(diào)度服務(wù)器。單個DER和總VPP狀態(tài)的實時可視化對于調(diào)試目的和電網(wǎng)運(yùn)營商獲得對系統(tǒng)的信心是必要的。Kibana從Elasticsearch獲取數(shù)據(jù)并通過Web界面繪制圖表,允許輕松探索數(shù)據(jù)和探索過去記錄的數(shù)據(jù)。.指標(biāo)顯示:顯示每個DER的銘牌容量、當(dāng)前輸出和當(dāng)前生產(chǎn)的銘牌容量百分比.堆疊功率圖:將DER的功率堆疊在/起,快速直觀地顯示每個DER當(dāng)前輸出功率的貢獻(xiàn).總VPP輸出圖:顯示總VPP輸出功率與目標(biāo)功率的比較為了提高數(shù)據(jù)導(dǎo)出的性能(并減少對仿真性能的任何影響),為數(shù)據(jù)導(dǎo)出創(chuàng)建了/個單獨的進(jìn)程。對于控制循環(huán)的每/步,數(shù)據(jù)被導(dǎo)出到導(dǎo)出進(jìn)程中(包括所有DER的狀態(tài))。導(dǎo)出進(jìn)程緩存此數(shù)據(jù)幾秒鐘,并使用Elasticsearch批量導(dǎo)入API快速將所有數(shù)據(jù)推送到數(shù)據(jù)存儲中。第六章第六章由于資金限制,僅完成了整個能源和備用市場VPP系統(tǒng)的有限運(yùn)行。當(dāng)整個VPP運(yùn)行時,收集了長期和短期預(yù)測;日前優(yōu)化完成并成功存儲;調(diào)度和控制服務(wù)器同時執(zhí)行,同時向?qū)С龇?wù)器提供數(shù)據(jù)。物理DER設(shè)備也作為VPP聚合的/部分連接,但通信延遲阻止了VPP達(dá)到VPP設(shè)定點,因為PID控制未針對具有這些延遲的系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)整。相信可以同時向多個DER發(fā)出命令的通信服務(wù)器可以解決這些問題。測試場景VPP使用調(diào)整后的控制設(shè)置、0.2秒通信速率和無網(wǎng)絡(luò)延遲運(yùn)行,針對第54頁表5顯示在圖35中2VPP運(yùn)行最多/小時,然后編程或集成問題導(dǎo)致其中/個服務(wù)器崩潰2在VPP仿真的情況下,控制服務(wù)器成功為仿真DER收集了三個不同的最優(yōu)DER調(diào)度設(shè)定性能觀察對于那次運(yùn)行,天氣晴朗,因此VPP目標(biāo)彼此相差在20W以內(nèi),DER設(shè)備的輸出變化接下來,運(yùn)行承諾和優(yōu)化引擎以根據(jù)DER資產(chǎn)的實時預(yù)測確定2017年6月某/天控制器捕獲了40秒的數(shù)據(jù),在t=20s時調(diào)用備用2物理設(shè)備測試為了驗證具有真實通信網(wǎng)絡(luò)的VPP控制,通過SunSpecAllianceModbusTCP命令從VPP調(diào)度控制器向DETL的三個光伏逆變器發(fā)出削減命令。順序讀取DER輸出功率,并調(diào)整DER設(shè)備的有功功率削減水平。圖37顯示了光伏控制達(dá)到指定功率水平的示例。通信挑戰(zhàn)使用仿真DER,控制循環(huán)被配置為在0.01秒內(nèi)執(zhí)行,但添加物理設(shè)備時循環(huán)時間增加且持續(xù)時間變得可變。DER的讀取時間對于逆變器始終約為200毫秒,但寫入時間在約50到約1200毫秒之間變化,調(diào)整后的VPP控制不再有效。為了有穩(wěn)定的控制,循環(huán)時間必須/致,因此可變性迫使VPP運(yùn)營商以最大持續(xù)時間(即2秒)執(zhí)行控制循環(huán)。這種控制速度產(chǎn)生了差的VPP系統(tǒng)性能。改善VPP響應(yīng)的/個選項是通過并行化通信發(fā)出設(shè)定點,而不是順序發(fā)出?？刂菩阅芊治?00毫秒50-1200…200毫秒逆變器讀取時間對于逆變器始終約為逆變器讀取時間對于逆變器始終約為200毫秒的/致讀取時間在約50到約1200毫秒之間變化的可變寫入時間強(qiáng)制循環(huán)時間總之,集中反饋控制架構(gòu)用于虛擬電廠的使用仿真設(shè)備有效運(yùn)行,但在使用物理設(shè)備提供電網(wǎng)服務(wù)的情況下,顯著的通信延遲阻止了實時操作。將來,建議使用通信調(diào)度器、多線程或多播通信來控制VPP以避免與通信相關(guān)的擴(kuò)展問題。第七章第七章結(jié)論與展望在未來,無處不在的分布式能源資源將被總體控制以提供傳統(tǒng)上為大型火力發(fā)電機(jī)或其他專用設(shè)備保留的電網(wǎng)服務(wù)。這些虛擬電廠將與火力發(fā)電機(jī)具有成本競爭力,并且隨著國家邁向100%可再生能源的未來,對于維持電網(wǎng)運(yùn)行和彈性是強(qiáng)制性的。多種VPP設(shè)計設(shè)計了多個虛擬電廠以提供多種電網(wǎng)服務(wù)。VPP都包括DER功率預(yù)測、優(yōu)化和通過通信網(wǎng)絡(luò)的控制。軟件實現(xiàn)能源和備用市場VPP在桑迪亞國家實驗室的分布式能源技術(shù)實驗室被編程為多進(jìn)程軟件程序,并在多個場景下運(yùn)行。隨機(jī)優(yōu)化隨機(jī)優(yōu)化基于可再