低碳能源转型下的大型城市配电网安全智能运行与控制

主要研究主题

• 低碳能源转型下的大型城市配电网安全智能运行与控制
• 主要研究领域包括新能源并网分析、“双高”电力系统稳定性、人工智能应用、物理信息电力系统、分布式电源优化控制、电力交通网、能源、辅助服务、碳配额市场、点对点交易分析

研究团队

• 研究团队由2名副教授、20+名博士生（主要指导）、8名博士生（联合指导）、8名博士后研究员、6名硕士论文学生和7名本科生研究人员组成

背景介绍

• 全球范围内大停电事故频发，例如北美2003年、欧洲2006年、乌克兰2015年、委内瑞拉2019年、曼哈顿2019年、伦敦2019年、德克萨斯2021年、加拿大2022年、巴基斯坦2023年、智利2025年、伊比利亚半岛2025年、印度2012年等，造成巨大的人员伤亡和经济损失
• 配电网正从传统配电网向有源配电网（ADN）转型，主要特征包括分布式发电（太阳能和风能）、双向电力流、多样化的电力用户（例如电动汽车）
• ADN转型带来的挑战包括：运行安全风险（例如非计划孤岛、电压稳定性、频率稳定性、振荡稳定性、网络安全）、经济运行风险（例如过载导致的功率损耗、高渗透率可再生能源的削减、碳感知运行措施）、市场和政策风险（例如缺乏成熟的市场标准、缺乏大规模电动汽车的政策支持）
• ADN智能运行机遇：通过解决上述问题，提升ADN的运行安全性和经济性

有源配电网电压调节策略

• 电压调节需求：ADN受分布式能源不确定性影响，弱连接ADN更容易出现电压问题
• 阻抗比影响分析：配电线路的阻抗比越高，Pe-QV解耦不再有效，传统雅可比矩阵敏感性分析难以或无法准确进行
• 多层电压调节框架：基于简化网络分析阻抗比对电压调节的影响，提出多层电压调节框架
• 多设备电压调节协同：基于DNR和VVC的多设备电压调节协同控制，提出强化学习框架，分解庞大动作空间，处理复杂动态，促进协同调节
• 改进的DNR电压调节：通过远程控制开关（RCS）进行动态网络重构（DNR），实现电压调节
• 两阶段电压调节：针对电动汽车慢充（~20kW）和快充（300~600kW）的不同充电需求，提出两阶段电压调节框架，包括DNR、软开点（SoOPs）和共同点：有功功率控制、分布式控制、多智能体实现快速响应、电力与交通系统耦合建模

有源配电网频率电压协同调节策略

• 频率调节需求：ADN受分布式能源波动和系统惯性不足影响，需要频率调节
• 多层频率调节框架：针对DER丰富的ADN，提出多层频率调节框架
• 微电网安全运行与控制：典型逆变器型微电网包括并网、离网、逆变器型分布式发电、逆变器控制器和负荷，离网微电网采用分层控制
• 分布式频率电压协同调节：采用钉子同步控制（PsC）协议进行分布式二次控制，每个DG在微电网与主网断开时实现控制目标
• 分布式调节的通信网络规划：需要设计最优通信网络，以最低成本确保控制性能，考虑网络拓扑对微电网物理网络性能的影响
• 多区域频率电压协同调节：高渗透率DER下，功率流向可能双向，将DER作为辅助服务调度给输电网运营商（TSO），提升TSO与配电网运营商（DSO）的协调

有源配电网能量管理与运行灵活性

• 隐私保护的能源管理：ADN中的信息物理系统（CPS）易受网络安全威胁，需要信息保密，防止攻击者窃取电力价格、用电信息等重要信息，采用同态加密技术实现隐私保护计算
• 灵活性提升：通过虚拟电池组（WTBs）和可调度负荷提升ADN灵活性

主要结论

1. 大规模接入分布式新能源是大型城市配电网实现碳中和目标的重要手段和大势所趋
2. 新能源发电的不确定性和弱灵活性对配电网所带来的安全威胁不能忽视
3. 基于AI的频率电压调节技术可以同时应对不同种类、不同时间尺度的运行安全问题，高效协同利用不同的调节设备
4. 分布式的运行策略相对于集中式的运行策略在配电网安全性、可靠性、隐私保护和效率方面具有显著优势
5. 需要设计和发展多种市场范式和商业模型来激励更多的产销者和分布式能源参与到配电网的安全运行，实现社会福利的最大化