Προηγμένες τεχνικές ελέγχου με χρήση μεθόδων βελτιστοποίησης σε έξυπνα δίκτυα ηλεκτρικής ενέργειας με μεγάλη διείσδυση διανεμημένης παραγωγής

Abstract

Scope of this Thesis is the development of advanced control techniques for distribution networks with high distributed generation penetration to address voltage regulation problems and ensure the optimized network operation, assuming one or more optimization objectives. Initially, a new control technique is presented targeting at the voltage regulation and the minimization of network losses. Its distinct feature includes the use of a rule-based approach to coordinate the basic network elements, i.e., the distributed generation units, the loads, and the on-load tap changer of the high-voltage / medium-voltage transformer. The proposed control technique presents a superior performance compared to the use of conventional optimization techniques in terms of reduced computational complexity. Furthermore, a new decentralized control technique is introduced to reduce the frequency of tap changes at the high-voltage / medium-voltage transformer. The proposed method exploits the available reactive power of distributed generation units to actively control the reactive power flowing through the transformer. Moreover, it is characterized by reduced computational complexity, allowing its application to the real-time operation of distribution networks. Finally, a two-stage approach is presented to efficiently solve a multi-objective optimization problem. In the first stage, the network is linearized and a simplified multi-objective optimization problem is solved. The second stage includes the use of a composite control technique that combines the afore-mentioned control schemes to regulate network voltage and minimize network losses. The proposed method presents a similar performance but with reduced computational complexity compared to the use of conventional optimization techniques.

Η παρούσα διατριβή έχει ως αντικείμενο την ανάπτυξη προηγμένων τεχνικών ελέγχου σε έξυπνα δίκτυα ηλεκτρικής ενέργειας με μεγάλη διείσδυση διανεμημένης παραγωγής. Στόχος των προηγμένων τεχνικών ελέγχου είναι η αποτελεσματική ρύθμιση της τάσης και η εξασφάλιση της βέλτιστης λειτουργίας του δικτύου, εφαρμόζοντας ένα ή περισσότερα κριτήρια βελτιστοποίησης. Αρχικά, αναπτύσσεται ένα νέο θεωρητικό πλαίσιο λειτουργίας των δικτύων διανομής ηλεκτρικής ενέργειας το οποίο αποσκοπεί στη ρύθμιση της τάσης και στην ταυτόχρονη ελαχιστοποίηση των ωμικών απωλειών. Βασικό χαρακτηριστικό του θεωρητικού πλαισίου αποτελεί η χρήση μιας λογικής αλληλουχίας κανόνων για το συντονισμό της λειτουργίας των στοιχείων του δικτύου που συμμετέχουν στην παραπάνω διαδικασία. Το προτεινόμενο λειτουργικό σχήμα εμφανίζει παραπλήσια απόδοση με τη χρήση συμβατικών τεχνικών βελτιστοποίησης, παρουσιάζοντας, ωστόσο, μικρό υπολογιστικό κόστος. Επιπλέον, υπερτερεί έναντι των συμβατικών μεθόδων που έχουν προταθεί στη διεθνή βιβλιογραφία. Στη συνέχεια, προτείνονται δύο νέες τεχνικές ελέγχου για την αποτελεσματική εφαρμογή του παραπάνω θεωρητικού πλαισίου στα έξυπνα δίκτυα ηλεκτρικής ενέργειας. Οι προτεινόμενες τεχνικές βασίζονται στη χρήση ενός τηλεπικοινωνιακού συστήματος για τη μετάδοση κατάλληλων πληροφοριών, οι οποίες σχετίζονται με την κατάσταση του δικτύου. Επίσης, παρουσιάζουν μειωμένη υπολογιστική πολυπλοκότητα και γρήγορη απόκριση σε μεταβολές της τάσης. Ακολουθεί η παρουσίαση μιας νέας αποκεντρωμένης τεχνικής ελέγχου που στοχεύει στη βελτίωση της λειτουργίας του συστήματος αλλαγής τάσης υπό φορτίο και πιο συγκεκριμένα στη μείωση της συχνότητας αλλαγής της θέσης του. Η προτεινόμενη μέθοδος χρησιμοποιεί τη διαθέσιμη άεργη ισχύ των μονάδων διανεμημένης παραγωγής για τη ρύθμιση της άεργης ισχύος που ρέει στον μετασχηματιστή υψηλής τάσης / μέσης τάσης και χαρακτηρίζεται από μικρή υπολογιστική πολυπλοκότητα, διευκολύνοντας την εφαρμογή της στα δίκτυα διανομής ηλεκτρικής ενέργειας. Τέλος, προτείνεται μια νέα μέθοδος επίλυσης του προβλήματος πολυκριτηριακής βελτιστοποίησης. Η προτεινόμενη μέθοδος χωρίζεται σε δύο στάδια. Στο πρώτο στάδιο επιλύεται ένα απλοποιημένο πρόβλημα πολυκριτηριακής βελτιστοποίησης. Στο δεύτερο στάδιο εφαρμόζεται ένα συνδυαστικό μοντέλο ελέγχου άεργης ισχύος, το οποίο συνδυάζει τις τεχνικές ελέγχου που αναπτύχθηκαν παραπάνω. Η προτεινόμενη μεθοδολογία χαρακτηρίζεται από μικρό υπολογιστικό κόστος και εμφανίζει παραπλήσια απόδοση με τη χρήση συμβατικών μεθόδων επίλυσης.