Ανάπτυξη προηγμένων επικουρικών υπηρεσιών για διαχειριστές δικτύων διανομής ηλεκτρικής ενέργειας

Abstract

Scope of this doctoral dissertation is the development of innovative control strategies for the provision of advanced ancillary services (ASs) for active distribution networks (ADNs). The proposed ASs are based on the use of the available active and reactive power of the converters of distributed renewable energy sources (DRESs) and distributed battery energy storage systems (DBESSs) to solve technical issues related to voltage regulation (VR) and congestion of distribution lines. A new framework is also proposed for the coordinated operation of the primary/secondary distribution network (DN) aiming to solve voltage violation events. Furthermore, emphasis is given on the development of new methodologies for the assessment of the long-term performance of the provided ASs and grid operation. Initially, a new generalized framework for the impact assessment of DRESs-DBESSs on the operation of ADNs is presented. The proposed assessment methodology combines quasi-static simulations, with statistical analysis tools and technical indices, in order to evaluate the load matching capabilities and DRES-DBESS utilization of end-users (end-user oriented analysis) as well as to quantify the impact of DRES-DBESS on the network performance, in terms of voltage profiles, power losses and reverse power-flow incidents (network oriented analysis). The applicability of the proposed methodology is investigated considering two different ADN topologies. In addition, a new voltage control scheme is developed aiming to cope with voltage violation and voltage unbalance issues. The proposed strategy consists of two innovative algorithms, one for the provision of ASs related to VR and one for voltage unbalance mitigation (VUM). Both algorithms are based on the use of the active and reactive power of DRES/DBESS. For their operation, the use of reactive power is prioritized against the active power to ensure decreased DBESS utilization. The key feature of the proposed algorithms is their implementation in the symmetrical components domain removing any coupling interaction between them. The applicability of the proposed voltage control scheme is validated by time-domain simulations, as well as by conducting real-time simulations on a laboratory-scale DN. The long-term performance of the proposed VR and VUM algorithms is examined by performing quasi-static simulations in a software package; the obtained results are also compared with several control schemes of the relevant literature.Α new method is proposed to evaluate the provision of ASs by DRES/DBESS within a multi-services perspective considering the DBESS capacity degradation. The core of the proposed methodology is the combination between quasi-static simulations and a DBESS ageing model. Considering that the DRES/DBESS provide ASs related to VR and power smoothing, the performance of the proposed methodology is assessed using a low-voltage test feeder. Furthermore, a unified control strategy (UCS) for the provision of multiple ASs is introduced. Aim of the proposed UCS is to solve technical issues related to voltage violations, voltage unbalances, fluctuations of the active power at the output of DRESs and overloading of network components, using specialized algorithms. The effectiveness and the long-term performance of the proposed UCS are investigated by conducting time-domain and quasi-static simulations, respectively. Finally, as the provision of ASs by DRES/DBESS converters at a local level can not fully ensure the reliable operation of the entire DN, a new algorithm is introduced for the coordinated operation of the primary/secondary DN. Specifically, the proposed coordination algorithm uses the available active and reactive power of DRES/DBESS converters, located in the secondary DN, to deal with over- and undervoltage incidents detected at the primary/secondary DN connection node. The performance of the proposed algorithm is evaluated by performing quasi-static simulations considering an analytical primary/secondary DN model.

Σκοπός της παρούσας διδακτορικής διατριβής αποτελεί η ανάπτυξη καινοτόμων στρατηγικών ελέγχου για την παροχή προηγμένων επικουρικών υπηρεσιών (ΕΥ) στα σύγχρονα ενεργά δίκτυα διανομής (ΕΔΔ). Οι προτεινόμενες ΕΥ αξιοποιούν τη διαθέσιμη ενεργό και άεργο ισχύ των μετατροπέων των μονάδων διανεμημένης παραγωγής (ΜΔΠ) και των μονάδων αποθήκευσης ενέργειας (ΜΑΕ) για την επίλυση τεχνικών ζητημάτων που σχετίζονται με προβλήματα ρύθμισης τάσης (ΡΤ) και συμφόρησης των γραμμών του δικτύου. Ακόμη, στα πλαίσια αυτής προτείνεται ένα νέο πλαίσιο για τη συντονισμένη λειτουργία (ΣΛ) πρωτεύοντος/ δευτερεύοντος δικτύου διανομής (ΔΔ), με στόχο την επίλυση φαινομένων παραβίασης των επιτρεπόμενων ορίων της τάσης. Ιδιαίτερη έμφαση δίνεται και στη δημιουργία νέων μεθόδων για τη μελέτη της λειτουργίας των ΕΔΔ και της απόδοσης των παρεχόμενων ΕΥ σε μακροπρόθεσμο ορίζοντα. Πιο αναλυτικά, αρχικά, παρουσιάζεται μία νέα γενικευμένη μέθοδος για τη συστηματική αξιολόγηση της επίδρασης των συστημάτων ΜΔΠ/ΜΑΕ στη λειτουργία των σύγχρονων δευτερευόντων ΔΔ. Η προτεινόμενη μέθοδος αξιολόγησης συνδυάζει οιονεί-στατικές προσομοιώσεις, με εργαλεία στατιστικής ανάλυσης και τεχνικούς δείκτες, προκειμένου να εξεταστεί και να ποσοτικοποιηθεί η επίπτωση των ΜΔΠ/ΜΑΕ στην ενεργειακή συμπεριφορά των χρηστών του ΔΔ (μελέτη ιδιοκατανάλωσης, αυτάρκειας, χρήσης των ΜΑΕ), αλλά και στα λειτουργικά χαρακτηριστικά του ΔΔ (μελέτη των επιπέδων και της ασυμμετρίας των τάσεων, των απωλειών ισχύος και των φαινομένων αντίστροφης ροής ισχύος). Η δυνατότητα εφαρμογής της προτεινόμενης μεθόδου εξετάζεται σε δύο διαφορετικά δευτερεύοντα ΔΔ. Στη συνέχεια, αναπτύσσεται μία νέα στρατηγική ελέγχου τάσης που στοχεύει στην αντιμετώπιση τοπικών παραβιάσεων των ορίων της τάσης και στον περιορισμό των επιπέδων ασυμμετρίας της τάσης με την ελάχιστη δυνατή αύξηση των απωλειών του ΔΔ και την ελάχιστη χρήση των ΜΑΕ. Η προτεινόμενη στρατηγική χρησιμοποιεί δύο νέους αλγόριθμους ΡΤ και περιορισμού ασυμμετρίας τάσης (ΠΑΤ), οι οποίοι βασίζονται στη χρήση της ενεργού και άεργου ισχύος των ΜΔΠ/ΜΑΕ. Προκειμένου να εξασφαλιστεί η ελάχιστη δυνατή χρήση των ΜΑΕ, προτεραιότητα δίνεται στη χρήση της άεργου ισχύος έναντι της ενεργού. Βασικό χαρακτηριστικό των προτεινόμενων αλγόριθμων είναι η ανάπτυξή τους στο πεδίο των συμμετρικών συνιστωσών. Με τον τρόπο αυτό εξασφαλίζεται ότι οι δύο αλγόριθμοι είναι πλήρως αποσυζευγμένοι. Η αποτελεσματικότητα του προτεινόμενου σχήματος ελέγχου αξιολογείται με προσομοιώσεις στο πεδίο του χρόνου, καθώς και προσομοιώσεων πραγματικού χρόνου που διεξήχθησαν σε ένα ΔΔ εργαστηριακής κλίμακας. Η μακροπρόθεσμη απόδοση των προτεινόμενων μεθόδων ΡΤ και ΠΑΤ εξετάζεται μέσω οιονεί-στατικών προσομοιώσεων σε λογισμικό πακέτο και συγκρίνεται με αντίστοιχες γνωστές μεθόδους που έχουν προταθεί στη διεθνή βιβλιογραφία. Επιπλέον, προτείνεται μία νέα μέθοδος αξιολόγησης της παροχής ΕΥ σε δευτερεύονταΔΔ από ΜΔΠ/ΜΑΕ λαμβάνοντας υπόψη τη γήρανση των ΜΑΕ. Πυρήνας της προτεινόμενης μεθοδολογίας είναι ο συνδυασμός οιονεί-στατικών προσομοιώσεων και ενός αλγόριθμου εκτίμησης της γήρανσης των ΜΑΕ. Θεωρώντας ότι οι μετατροπείς των ΜΔΠ/ΜΑΕ έχουν τη δυνατότητα παροχής πολλαπλών ΕΥ, εξετάζεται η αποτελεσματικότητα της προτεινόμενης μεθόδου σε ένα δευτερεύον ΔΔ. Κατόπιν, εισάγεται μία νέα ενοποιημένη στρατηγική ελέγχου για την παροχή πολλαπλών ΕΥ. Σκοπός της προτεινόμενης στρατηγικής είναι η επίλυση τεχνικών ζητημάτων που σχετίζονται με παραβιάσεις των ορίων της τάσης, φαινόμενα ασυμμετρίας της τάσης, έντονων μεταβολών της ενεργού ισχύος εξόδου των ΜΔΠ και φαινόμενα υπερφόρτισης των γραμμών του ΔΔ, μέσω της χρήσης εξειδικευμένων αλγόριθμων. Η αποτελεσματικότητα της προτεινόμενης ενοποιημένης στρατηγικής ελέγχου διερευνάται διεξάγοντας προσομοιώσεις στο πεδίο του χρόνου, ενώ η μακροπρόθεσμη απόδοσή της αξιολογείται εκτελώντας οιονεί-στατικές προσομοιώσεις σε ένα μοντέλο πρωτεύοντος-δευτερεύοντος ΔΔ. Τέλος, καθώς η αντιμετώπιση τοπικών τεχνικών ζητημάτων από τους μετατροπείς τωνΜΔΠ/ΜΑΕ δεν μπορεί συνήθως να εξασφαλίσει την ορθή λειτουργία ολόκληρου του ΔΔ, εισάγεται ένας νέος αλγόριθμος που έχει ως στόχο τη ΣΛ μεταξύ πρωτεύοντος και δευτερεύοντος ΔΔ. Συγκεκριμένα, ο προτεινόμενος αλγόριθμος ΣΛ χρησιμοποιεί τους διαθέσιμους πόρους ΡΤ των μετατροπέων των ΜΔΠ/ΜΑΕ του δευτερεύοντος ΔΔ, για την αντιμετώπιση φαινομένων ανύψωσης και υποβιβασμού της τάσης που εντοπίζονται στο ζυγό σύνδεσης πρωτεύοντος-δευτερεύοντος ΔΔ. Η λειτουργία του προτεινόμενου αλγόριθμου αξιολογείται εφαρμόζοντας οιονεί-στατικές προσομοιώσεις σε ένα αναλυτικό μοντέλο πρωτεύοντος-δευτερεύοντος ΔΔ.