Βέλτιστος σχεδιασμός συστημάτων ηλεκτρικής ενέργειας με διασυνδέσεις συνεχούς ρεύματος και μεγάλη διείσδυση ανανεώσιμων πηγών ενέργειας

Abstract

Electric power systems are dynamicaly and constantly developing. On the one hand, their interconnections, on the other, new control technologies at all levels (production, transmission and distribution), constantly change the needs for their study and development planning. Towards this direction, simulation software has been developed to take into account the new developments. Most applications are commercial, and make use of models of network components, that are either not open to the user or standardized. The motivation of this thesis is the development of the required modeling methodology and suitable open source software, for the study and optimal design of electric power systems with HVDC interconnections with significant power production by renewable energy sources (RES). In this thesis, existing software (MATLAB MATPOWER, MATDYN) were used and additional models were developed for HVDC converters, DC transmission lines and RES units etc. These models can be easily modified according to the needs of the study. For optimization purposes, the PSO method was used, after all necessary modifications. Important addition to the proposed method is the incorporation of short-term transient stability criteria into the optimization process. By adopting voltage and frequency instability criteria, the optimal solutions of the examined optimization problems are examined for selected case studies under the presence of significant faults. Such faults are short circuits, line breaks, loss of production (conventional power unit trip). The methodology was tested on appropriately modified standard networks such as the IEEE 9-bus, IEEE-24bus and the simplified system of continental Greece-Crete-Cyprus. A suitable, friendly graphical user interface for the developed models was also created in the framework of this thesis.

Τα ηλεκτρικά ενεργειακά δίκτυα είναι δυναμικά και συνεχώς αναπτυσσόμενα. Αφενός οι διασυνδέσεις τους, αφετέρου οι νέες τεχνολογίες ελέγχου σε όλα τα επίπεδα (παραγωγής, μεταφοράς και διανομής), αλλαζουν διαρκώς τα δεδομένα για τις ανάγκες μελέτης και σχεδιασμού για ανάπτυξη τους. Προς αυτήν την κατέυθυνση, της μελέτης και σχεδιασμού, έχουν αναπτυχθεί πολλές εφαρμογές προσομοίωσης που λαμβάνουν υποψην τα νέα δεδομένα. Οι περισσότερες εφαρμογές είναι εμπορικές, και κάνουν χρήση μοντέλων των συνιστωσών των δικτύων, είτε κλειστού τύπου, είτε τυποποιημένων. Κίνητρο της παρούσας διατριβής ήταν η ανάπτυξη μεθοδολογίας και αντίστοιχου λογισμικού ανοιχτού κώδικα, για τον βέλτιστο σχεδιασμό συστημάτων ηλεκτρικής ενέργειας (ΣΗΕ) με διασυνδέσεις και παρουσία σημαντικής παραγωγής ανανεώσιμων πηγών ενέργειας (ΑΠΕ). Σε σχέση με εμπορικά πακέτα λογισμικού προσομοίωσης, η παρούσα διατριβή παρουσιάζει την ανάπτυξη ελεύθερου κώδικα, για βέλτιστο σχεδιασμό των υπό εξέταση συστημάτων. Στη διατριβή αυτή έγινε χρήση υφιστάμενων λογισμικών (MATLAB MATPOWER, MATDYN) και πάνω σε αυτά αναπτύχθηκαν επιπλέον μοντέλα, όπως μετατροπείς HVDC, γραμμές μεταφοράς ΣΡ και ΑΠΕ. Τα μοντέλα αυτά μπορούν εύκολα να τροποποιηθούν κατάλληλα ανάλογα με τις ανάγκες της μελέτης. Για τις ανάγκες της βελτιστοποίησης έγινε χρήση της μεθευριστικής μεθόδου Particle Swarm Optimization (PSO), με τις απαραίτητες τροποποιήσεις. Η πιο σημαντική προσθήκη στην προτεινόμενη μέθοδο, είναι η ενσωμάτωση κριτηρίων βραχυπρόθεσμης μεταβατικής ευστάθειας στα αποτελέσματα της βελτιστοποίησης. Υιοθετώντας κριτήρια ευτάθειας τάσης και συχνότητας, εξετάζονται οι βελτιστες λύσεις του εξεταζόμενου προβλήματος βελτιστοποίησης. Τέτοια σφάλματα είναι βραχυκύκλωματα, διακοπές γραμμής, απώλεια παραγωγής (συμβατικής θερμικής γεννήτριας). Η μεθοδολογία εξετάστηκε σε κατάλληλα τροποποιημένα δίκτυα όπως τα ΙΕΕΕ 9-bus, ΙΕΕΕ-24bus, το απλοποιημένο σύστημα Ελλάδας-Κρήτης-Κύπρου κ.α. Αναπτύχθηκε επίσης κατάλληλη, φιλική προς τον χρήστη διεπαφή, με δυνατότητα προσομοίωσης ηλεκτρικού δικτύου.