Advanced modelling methods for modern distribution networks

Abstract

In the near future, distribution networks are expected to present considerable structural and operational differences compared with the conventional distribution networks that are in service so far. More specifically, in conventional power networks, the energy is generated by large power plants and is transferred over long distances to the customer’s location. In the near future, the energy is expected to be generated almost exclusively by small producers, which will be connected directly to the distribution networks, very near to the customer’s regions. Therefore, the power and voltage profile of distribution networks is expected to be considerably modified in the next years. As a result of the connection of small generators near to the customer’s points, distribution networks will have the possibility to operate autonomously from the main grid. More specifically, small islanded distribution networks are expected to be created, which will operate, depending on the circumstances, either autonomously or connected to the main grid. Moreover, electrical vehicles are expected to dominate over the next decades, which along with the low voltage distributed generators, will probably force distribution networks into their thermal limits. Furthermore, the integration of electric vehicles and other DC loads into the network, will probably initiate the creation of small hybrid AC/DC microgrids, in order to increase the overall efficiency of the network. Due to the rapid transformation of distribution networks, new modelling techniques need to be developed to simulate precisely and efficiently the new generation of distribution networks. Unfortunately, the conventional modelling approaches are not applicable to the modern distribution networks, due to the different structure and operational mode that modern networks have. Scope of this dissertation is to fill this gap by proposing accurate and computationally efficient power flow approaches for the modern distribution networks, considering the particular characteristics that this type of networks have. Power flow is a fundamental tool for several power system studies such as planning, design and operation, supervision and monitoring, state estimation, contingency and stability analysis, etc. Therefore, the accuracy of the power flow is very important for better understanding of power systems and improving their analysis. This dissertation proposes some novel power flow methods, which are applicable in both grid-connected and islanded distribution networks. Moreover, they can be applied in both AC and hybrid AC/DC networks. Furthermore, the influence of weather on the power flow results is also investigated in networks consisting of overhead conductors and underground cables. With the proposed approaches, the thermal condition of the network can be effectively monitored, preventing the network from overloading. We propose accurate and computationally efficient models for the most common local voltage controllers applied in distribution networks such as distributed generators, on-load tap changers, step voltage regulators. Finally, we propose a precise power flow approach with low computation time for estimating the switching state of local voltage controllers. It is pointed out that all the power flow approaches and models proposed in this dissertation have been based on the implicit Z-Bus method, which is well-known to offer significant advantages such as low computation time and excellent computational robustness, when applied in low voltage and medium voltage distribution networks.

Στο εγγύς μέλλον, τα δίκτυα διανομής αναμένεται να παρουσιάζουν σημαντικές διαφορές σε σχέση με τα δίκτυα διανομής όπως τα γνωρίζουμε μέχρι σήμερα, τόσο στη δομή τους όσο και στον τρόπο λειτουργίας τους. Συγκεκριμένα, στα συμβατικά ηλεκτρικά δίκτυα, η ενέργεια παράγεται κεντρικοποιημένα από μεγάλα εργοστάσια παραγωγής και μεταφέρεται μέσω μεγάλων αποστάσεων στα κέντρα των καταναλωτών. Στα μελλοντικά δίκτυα, η ενέργεια θα παράγεται σχεδόν εξολοκλήρου από μικρότερες γεννήτριες, μεγάλο ποσοστό των οποίων θα συνδέονται απευθείας στα δίκτυα διανομής, κοντά στα σημεία κατανάλωσης. Συνεπώς, το προφίλ της τάσης και της ισχύος των μελλοντικών δικτύων διανομής θα διαφοροποιείται σημαντικά σε σχέση με αυτό των σημερινών δικτύων διανομής. Ως αποτέλεσμα της σύνδεσης μικρών μονάδων διανεμημένης παραγωγής κοντά στα σημεία κατανάλωσης, τα μελλοντικά δίκτυα διανομής θα έχουν την δυνατότητα κατά περίσταση να λειτουργούν τόσο αυτόνομα (νησιδοποιημένα), όσο και συνδεδεμένα στο κεντρικό δίκτυο. Επιπλέον, η αύξηση τόσο του αριθμού των ηλεκτρικών αυτοκινήτων, όσο και των μικρών μονάδων διανεμημένης παραγωγής αναμένεται να επιβαρύνουν τα δίκτυα διανομής κάνοντας τα να δουλεύουν κοντά στα θερμικά τους όρια. Τέλος, λόγω της αύξησης των φορτίων και γεννητριών συνεχούς ρεύματος (π.χ φωτοβολταϊκά, ηλεκτρικά αυτοκίνητα, φωτισμός LED κ.α ), υβριδικά AC/DC μικροδίκτυα αναμένεται να λειτουργούν στο κοντινό μέλλον αυξάνοντας το βαθμό απόδοσης του δικτύου συνολικά. Εξαιτίας της ραγδαίας αλλαγής της δομής και του τρόπου λειτουργίας των δικτύων διανομής, οι συμβατικές μέθοδοι μοντελοποίησης που χρησιμοποιούνται έως σήμερα στα συμβατικά δίκτυα διανομής, δε είναι λειτουργικά εφαρμόσιμοι και ακριβείς στη νέα γενιά δικτύων διανομής. Ως εκ τούτου, νέοι αλγόριθμοι μοντελοποίησης είναι ανάγκη να δημιουργηθούν, οι οποίοι θα λαμβάνουν υπόψιν τα ιδιαίτερα χαρακτηριστικά των μελλοντικών δικτύων διανομής. Σκοπός της παρούσας διατριβής είναι η ανάπτυξη προηγμένων αλγορίθμων προσομοίωσης για την μοντελοποίηση των δικτύων διανομής της επόμενης γενιάς. Η ροή φορτίου είναι ένα θεμελιώδες εργαλείο μοντελοποίησης, σχεδιασμού και επίβλεψης των ηλεκτρικών δικτύων. Συνεπώς, αυτή η διατριβή επικεντρώνεται στην ανάπτυξη μεθόδων ροής φορτίου μεγάλης ακρίβειας και χαμηλού υπολογιστικού κόστους για τα δίκτυα διανομής του μέλλοντος. Πιο συγκεκριμένα προτείνονται διάφοροι καινοτόμοι αλγόριθμοι ροής φορτίου για τα νησιδοποιημένα μικροδίκτυα εναλλασόμενου ρεύματος καθώς και για τα υβριδικά μικροδίκτυα εναλλασσόμενου και συνεχούς ρεύματος. Επιπλέον, μελετάται η επίδραση του καιρού στην ροή ισχύος σε δίκτυα που αποτελούνται από εναέριους αγωγούς και υπόγεια καλώδια. Με τις προτεινόμενες προσεγγίσεις, η θερμική κατάσταση του δικτύου μπορεί να εποπτεύεται αποτελεσματικά, αποτρέποντας το δίκτυο από υπερφόρτωση. Επίσης, προτείνουμε ακριβή και αποδοτικά μοντέλα για τους πιο κοινούς τοπικούς ελεγκτές τάσης δικτύων διανομής, όπως μετασχηματιστές με μεταγωγείς λήψεως υπό φορτίο και βηματικούς ρυθμιστές τάσης. Τέλος, προτείνουμε μια ακριβή προσέγγιση ροής ισχύος με χαμηλό χρόνο υπολογισμού για την εκτίμηση της κατάστασης των τοπικών ρυθμιστών τάσης. Επισημαίνεται ότι όλες οι προσεγγίσεις ροής ισχύος και τα μοντέλα που προτείνονται σε αυτή τη διατριβή βασίστηκαν στην Z-Bus μέθοδο ροής φορτίου, η οποία είναι γνωστό ότι προσφέρει σημαντικά πλεονεκτήματα όπως χαμηλό χρόνο υπολογισμού και εξαιρετική υπολογιστική σταθερότητα, όταν εφαρμόζεται σε δίκτυα διανομής χαμηλής και μέσης τάσης.