Επίδραση της διείσδυσης φωτοβολταϊκών συστημάτων διανεμημένης παραγωγής στις απώλειες των δικτύων διανομής ηλεκτρικής ενέργειας

Abstract

The present doctoral thesis deals with the penetration of Distributed Generation (DG) of electric power, and more specific of Photovoltaic (PV) Systems, in the Electric Power System (EPS). Scope of this thesis is to estimate the impact of PV systems penetration in Joule losses of the Distribution Network (DN), taking into consideration the stochasticity of both loads and power generation. A methodology is proposed, in order to find the optimal placement of PV units to minimize the losses of the DN. Moreover, an index representing the impact of the PV units in the losses is formulated. This index could contribute to the work of the Distribution System Operator (DSO) in defining and allocating cost of services to the producers. The thesis is structured as follows: · Chapter 1 is basically an introduction to DG. Various definitions of DG are given, along with its basic characteristics, and furthermore new challenges arising from its penetration, such as technical, regulatory, etc., are analyzed. · In Chapter 2, a review of the recent work, regarding the impact of DG penetration in technical aspects of the DN, is performed. The need for more thorough examination in some issues is recognized, especially the one concerning the inclusion of load stochasticity in Joule losses calculation. According to the above remarks, the scope of the thesis is defined. · The technological aspects of PV and the methods to calculate their power production are presented in Chapter 3. The chapter concludes with a report about the recent development trends in the field of PV, in the global, the European and the national context. The new legislation in Greece is briefly analyzed and the positive prospects for the future are given. · In Chapter 4, the impact of PV systems penetration in Joule losses of DNs is investigated. Firstly, a brief introduction to the concept of load stochasticity is made, and afterwards the development of a MATLAB based load flow program to calculate Joule losses is presented. In this program, stochastic values for loads are taken into consideration using Monte Carlo methods, assuming that the time series used are Markov processes. Stochasticity, however, considers not only load values but also PV power production and System Marginal Price (SMP). The impact of stochasticity in Joule losses is analyzed and based on that, the total annual losses of the DN are compared with the losses for a specific loading and/or a specific branch. Using the above mentioned program, various scenarios are examined concerning the optimal sizing and siting of PV for minimizing annual Joule losses. Finally, the impact of PV power profile is evaluated in comparison to other types of DG units. · The impact of PV units siting in annual Joule losses of a DN is examined in Chapter 5. For this reason some of the functions of the program developed earlier are expanded, in order to generate stochastic siting scenarios for PV units and investigate the impact on losses. According to the results, an index is proposed, which connects the sizing and the siting of a PV unit with the respective impact on losses of the DN. In this index the following factors are included: the correlation between the installed capacity of the PV units and the nominal power of the distribution transformers for all nodes, the size of a PV unit in relation to its distance form the feeding end of the feeder, and the possible excess of a specific limit regarding the installed capacity in a node. This index could be used to evaluate the contribution of a new PV unit in Joule losses of a DN, and perform the corresponding cost allocation. · Finally, in Chapter 6 a brief summary of the thesis along with the main conclusions from the above chapters are presented. The contribution of the thesis is pointed out and some suggestions for future work into the subject are made. The doctoral thesis concludes with a list of references and a brief display of the conference announcements and journal papers resulted during the process of this thesis. In the end, all the diagrams from the simulations of Chapters 4 and 5 are illustrated in three different annexes.

Το αντικείμενο της παρούσας διδακτορικής διατριβής είναι η διείσδυση της Διανεμημένης Παραγωγής Ηλεκτρικής Ενέργειας (ΔΠ), και ειδικότερα των Φωτοβολταϊκών Συστημάτων, στο Σύστημα Ηλεκτρικής Ενέργειας (ΣΗΕ). Στόχος της διατριβής είναι η εκτίμηση της επίδρασης που πρόκειται να έχει η διείσδυση αυτή στις απώλειες Joule του δικτύου διανομής, λαμβάνοντας υπόψη τη στοχαστικότητα των φορτίων και της παραγωγής. Προτείνεται μια μέθοδος εύρεσης της βέλτιστης κατανομής Φ/Β μονάδων για ελαχιστοποίηση των απωλειών και ένας δείκτης επίδρασης των Φ/Β μονάδων στις απώλειες. Ο δείκτης αυτός αναμένεται να συμβάλλει στην προσπάθεια του Διαχειριστή Δικτύου Διανομής στον προσδιορισμό του κόστους των υπηρεσιών που προσφέρει στους παραγωγούς. Η δομή της διδακτορικής διατριβής έχει ως εξής: · Στο Κεφάλαιο 1 γίνεται μια ιστορική αναδρομή στο θέμα της ΔΠ. Δίνονται οι διάφοροι ορισμοί της ΔΠ, περιγράφονται τα χαρακτηριστικά αυτής και παρατίθενται συνοπτικά τα νέα ζητήματα (τεχνικά, ρυθμιστικά, οικονομικά κ.α.) που εισάγονται με τη διείσδυση της στο ΣΗΕ. · Στο Κεφάλαιο 2 σχολιάζεται η βιβλιογραφία όσον αφορά στην επίδραση της ΔΠ σε τεχνικά ζητήματα του δικτύου και κυρίως στο θέμα των απωλειών Joule. Εντοπίζονται τα σημεία εκείνα όπου απαιτείται περαιτέρω εμβάθυνση και ειδικότερα η ανάγκη να συμπεριληφθεί η στοχαστικότητα των φορτίων όσον αφορά στη διερεύνηση της μείωσης των απωλειών Joule. Με βάση τα παραπάνω, καθορίζεται τελικά ο στόχος της διδακτορικής διατριβής. · Στο Κεφάλαιο 3 παρουσιάζεται σύντομα η τεχνολογία των Φ/Β συστημάτων και η μεθοδολογία υπολογισμού της παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας από αυτά. Το κεφάλαιο κλείνει με μια αναφορά στις τελευταίες αναπτυξιακές τάσεις στα ζητήματα των Φ/Β τόσο στο παγκόσμιο και το ευρωπαϊκό όσο και στο ελληνικό επίπεδο. Αναλύεται συνοπτικά το νέο νομοθετικό πλαίσιο στην Ελλάδα και παρουσιάζονται τα θετικά αποτελέσματα που αναμένονται βάσει αυτού. · Στο Κεφάλαιο 4 διερευνάται η επίδραση της σύνδεσης Φ/Β συστημάτων στις απώλειες Joule των δικτύων διανομής. Εισάγεται αρχικά η έννοια της στοχαστικότητας των φορτίων της κατανάλωσης και στη συνέχεια περιγράφεται η ανάπτυξη ενός προγράμματος ροής φορτίου σε περιβάλλον MATLAB για τον υπολογισμό των απωλειών Joule. Στο πρόγραμμα αυτό για πρώτη φορά λαμβάνονται υπόψη στοχαστικές τιμές των φορτίων με χρήση της μεθόδου Monte Carlo, ενώ για τη στοχαστικότητα αυτή γίνεται η παραδοχή ότι οι χρονοσειρές που χρησιμοποιούνται αποτελούν διαδικασίες Markov. Η στοχαστικότητα αφορά τόσο στο φορτίο της κατανάλωσης, όσο και στην παραγωγή των Φ/Β και στην Οριακή Τιμή του Συστήματος (ΟΤΣ). Στη συνέχεια, αναλύεται η επίδραση της στοχαστικότητας στις απώλειες Joule και η διαφορά της επίδρασης αυτής στις συνολικές ετήσιες απώλειες του δικτύου σε αντίθεση με τις απώλειες μιας συγκεκριμένης φόρτισης ή/και ενός συγκεκριμένου κλάδου. Με τη βοήθεια του παραπάνω προγράμματος εξετάζονται διάφορα σενάρια και διερευνάται η βέλτιστη τοπολογία και το βέλτιστο ποσοστό διείσδυσης των Φ/Β με στόχο την ελαχιστοποίηση των ετήσιων απωλειών Joule. Τέλος, γίνεται αναφορά στην σημασία του προφίλ παραγωγής των Φ/Β, σε αντίθεση με άλλες πηγές ΔΠ. · Στο Κεφάλαιο 5 εξετάζεται η επίδραση της θέσης του «Κοινού Σημείου Σύνδεσης» των Φ/Β εγκαταστάσεων στις ετήσιες απώλειες Joule μιας γραμμής διανομής. Για το λόγο αυτό επεκτείνονται κάποιες από τις λειτουργίες του προγράμματος που αναπτύχθηκε στο κεφάλαιο 4, με σκοπό την παραγωγή τυχαίων σεναρίων κατανομής των Φ/Β και εν συνεχεία τη διερεύνηση της σχέσης που συνδέει την τοπολογία και το μέγεθος των Φ/Β με τις απώλειες Joule του δικτύου. Με βάση την παρατήρηση των αποτελεσμάτων, προτείνεται ένας δείκτης που συνδέει το σημείο σύνδεσης μιας μονάδας και την εγκατεστημένη ισχύ της με την αναμενόμενη μείωση ή αύξηση των απωλειών που αυτή θα επιφέρει. Στο δείκτη αυτό λαμβάνεται υπόψη η συσχέτιση μεταξύ της εγκατεστημένης ισχύος των Φ/Β και της ονομαστικής ισχύος των ΜΣ στους διάφορους κόμβους, το μέγεθος της μονάδας σε συνάρτηση με την απόσταση της από την αρχή της γραμμής και η πιθανή υπέρβαση ενός συγκεκριμένου ορίου της εγκατεστημένης ισχύος σε έναν κόμβο. Ο δείκτης μπορεί να χρησιμοποιηθεί προκειμένου να αποτιμηθεί η συνεισφορά μιας νέας Φ/Β μονάδας στις απώλειες Joule του δικτύου και ανάλογα να κοστολογηθεί. · Στο Κεφάλαιο 6 γίνεται μια σύντομη ανασκόπηση της διδακτορικής διατριβής μαζί με τα κυριότερα συμπεράσματα που προέκυψαν. Παράλληλα, τονίζεται η συμβολή της διατριβής, ενώ στο τέλος δίνονται ορισμένες προτάσεις για περαιτέρω έρευνα. Η διδακτορική διατριβή κλείνει με την παράθεση της σχετικής βιβλιογραφίας καθώς επίσης και των ανακοινώσεων και δημοσιεύσεων που προέκυψαν κατά τη διάρκεια της εκπόνησης της διατριβής. Στο τέλος, ακολουθούν και τρία παραρτήματα με τα συνολικά διαγράμματα των προσομοιώσεων των κεφαλαίων 4 και 5.