Συμβολή στην ασφαλή λειτουργία μη διασυνδεδεμένων νησιών με υψηλή διείσδυση ανανεώσιμων πηγών ενέργειας

Abstract

Non interconnected island power systems (NIIPS) are characterized by high operating costs and restrictions in the renewable energy sources (RES) penetration, despite the high potential that might exist in them. Many island system operators have installed or consider pioneering projects that comprise novel control techniques and energy storage to increase the renewable energy penetration and decrease the operating costs.The present Ph.D thesis focusses on the operational security of non interconnected island systems under high RES penetration levels. Initially, the challenges in the operation of ΝIIPS operating in high RES penetration levels are presented. In addition, the contribution of the inverter based generation in frequency and voltage of NIIPS with high RES penetration is highlighted. In this thesis, a grid forming scheme for the central battery energy storage unit is proposed which can provide voltage control, emulated inertia, fast frequency response service. Its main advantage, compared to a grid following inverter, is that it ensures smooth transition to 100% renewable energy sources penetration. Secondary frequency and voltage control techniques are proposed, as well as an innovative control scheme for automatic generation control based on model predictive control. The different control schemes are evaluated in a Control Hardware in the loop testbed.The new ancillary services by the inverter based generation and the altering operating conditions in the island system require new techniques for the assessment of dynamic security. A novel data driven technique, which is based on the optimal classification trees, is proposed for the extraction of linear rules that predict the system security with high accuracy. This technique is compared with classifiers from other supervised machine learning techniques.The evaluation of data driven classifiers of dynamic security only on a scenarios set might not provide a safe assessment on whether the classifier rules approach accurately all the actual security boundaries. In this PHD dissertation, several cases of data driven classifiers are presented that have with high accuracy on the test set but can not achieve similar levels of accuracy when applied for the calculation of control commands. At the same time, an island system operator would not easily trust a black box classifier with no link to the actual physical representation of the system. Main contribution of this work is the design and application of a novel method that for the first time links a classifier’s performance with a dynamic representation of the frequency dynamics, in the same mathematical formulation, in order to calculate adversarial examples or prove that the data driven classifier rules express a subset of the secure space that is defined by that specific frequency dynamics representations. Through this methodology a secure assessment of the operating conditions according to the dynamic frequency security is guaranteed. Finally, an iterative training procedure is proposed, that leads to classifier rules that guarantee the frequency security, which can be applied in the economic operation of the island.The island’s dynamic security and the impact of the new ancillary services by the inverter based generation should be also taken into account in the economic operation of the system. An innovative formulation of the unit commitment problem is proposed that uses the optimal classification trees rules to force constraints on the frequency dynamic security. To deal with the uncertainty in the system operation, introduce by the RES in their power production and provision of ancillary services, as well as from the system load, a robust optimization formulation is proposed for the day ahead unit commitment problem.

Τα μη διασυνδεδεμένα νησιά (ΜΔΝ) χαρακτηρίζονται από υψηλά κόστη παραγωγής και περιορισμούς στην διείσδυση των ανανεώσιμων πηγών ενέργειας (ΑΠΕ), παρά το εξαιρετικό δυναμικό που μπορεί να διαθέτουν. Πολλοί διαχειριστές δικτύων νησιών ανά τον κόσμο έχουν εγκαταστήσει ή διερευνούν την υλοποίηση πιλοτικών έργων, που περιλαμβάνουν καινοτόμες τεχνικές ελέγχου και μονάδες αποθήκευσης ώστε να αυξήσουν την διείσδυση των ΑΠΕ και να μειώσουν το κόστος λειτουργίας. Η διατριβή εστιάζει στην ασφάλεια της λειτουργίας των μη διασυνδεδεμένων νησιών με υψηλή διείσδυση ανανεώσιμων πηγών ενέργειας. Αρχικά παρουσιάζονται οι κύριες προκλήσεις που υπάρχουν στην λειτουργία ΜΔΝ με υψηλή διείσδυση ΑΠΕ. Στη συνέχεια τονίζονται οι επικουρικές υπηρεσίες των μονάδων ηλεκτρονικών ισχύος στην ρύθμιση της συχνότητας και της τάσης σε ΜΔΝ. Στα πλαίσια της διατριβής προτείνεται η αξιοποίηση μετατροπέα δημιουργίας δικτύου (Grid Forming) για την κεντρική μονάδα αποθήκευσης, ο οποίος παρέχει έλεγχο τάσης, εικονική αδράνεια και παροχή γρήγορης πρωτεύουσας εφεδρείας. Το βασικό του πλεονέκτημα είναι ότι εξασφαλίζει ομαλές μεταβάσεις σε συνθήκες 100% διείσδυσης ΑΠΕ. Προτείνονται επίσης, τεχνικές για τον αυτοματοποιημένο δευτερεύοντα έλεγχο τάσης και συχνότητας όπως και μια καινοτόμα τεχνική αυτόματης ρύθμισης της παραγωγής βασισμένη σε μεθοδολογία Προβλεπτικού Ελέγχου με Μοντέλο (Model Predictive Control). Οι έλεγχοι αξιολογούνται μέσω πειραματικής διάταξης Control Ηardware in the Loop. Οι ευμετάβλητές συνθήκες λειτουργίας όπως και τα νέα χαρακτηριστικά που θα διέπουν την λειτουργία των ΜΔΝ, με την εφαρμογή επικουρικών υπηρεσιών από τις μονάδες ηλεκτρονικών ισχύος, καθιστούν αναγκαία την υλοποίηση μεθοδολογίας για την εξακρίβωση της δυναμικής ασφάλειας του συστήματος. Αξιοποιείται η καινοτόμα τεχνική μηχανικής μάθησης των βέλτιστων δέντρων απόφασης για την εξαγωγή γραμμικών κανόνων οι οποίοι μπορούν να εκτιμήσουν με μεγάλη ακρίβεια την ασφάλεια του συστήματος ως προς τη συχνότητα. Συγκρίνεται με άλλες τεχνικές επιβλεπόμενης μηχανικής μάθησης και συμβατικές πρακτικές που εφαρμόζονται σε ΜΔΝ ως προς την ακρίβεια τους σε ένα σύνολο αξιολόγησης. Ωστόσο, όπως παρουσιάζεται στα πλαίσια της διατριβής, η εκτίμηση της απόδοσης ταξινομητών δυναμικής ασφάλειας, χρησιμοποιώντας ένα σύνολο παραδειγμάτων αξιολόγησης, ενδεχομένως να μην παρέχει ασφαλή εκτίμηση του πως προσεγγίζει ο ταξινομητής όλα τα πραγματικά όρια λειτουργίας. Παράλληλα, η λειτουργία ενός ταξινομητή ως «μαύρο κουτί» χωρίς κάποια συσχέτιση με τις φυσικές εξισώσεις που χρησιμοποιούνται για τον υπολογισμό των δυναμικών φαινομένων του συστήματος δύσκολα γίνεται αποδεκτή από τους διαχειριστές του δικτύου ΜΔΝ. Κύρια συνεισφορά της διατριβής είναι η σχεδίαση και εφαρμογή μιας μεθόδου που για πρώτη φορά συνδέει την απόδοση ενός ταξινομητή δυναμικής ασφάλειας με αναλυτικές μεθοδολογίες υπολογισμού του μεταβατικού της συχνότητας, στο ίδιο μαθηματικό πρόβλημα, ώστε να εντοπίζει αντιπαραδείγματα για τον ταξινομητή ή να αποδείξει πως ο ταξινομητής ταξινομεί σωστά όλες τις ανασφαλείς συνθήκες λειτουργίας όπως ορίζονται από συγκεκριμένες μεθοδολογίες υπολογισμού του μεταβατικού της συχνότητας. Με αυτό τον τρόπο επιτυγχάνεται η απόλυτα ασφαλής εκτίμηση των συνθηκών λειτουργίας ενός συστήματος ως προς την δυναμική ασφάλεια της συχνότητας. Τέλος, προτείνεται μια επαναληπτική διαδικασία εκπαίδευσης του ταξινομητή που οδηγεί σε κανόνες λειτουργίας που αποδεδειγμένα ταξινομούν σωστά όλες τις ανασφαλείς συνθήκες λειτουργίας και μπορούν να αξιοποιηθούν στην οικονομική λειτουργία του συστήματος. Η δυναμική ασφάλεια του συστήματος και η επίδραση των υπηρεσιών των μονάδων ηλεκτρονικών ισχύος πρέπει να λαμβάνονται υπόψιν και στην οικονομική λειτουργία του συστήματος. Προτείνεται πρωτότυπη μοντελοποίηση του ημερήσιου προγραμματισμού ένταξης μονάδων με χρήση των κανόνων του ταξινομητή βέλτιστων δέντρων απόφασης ως περιορισμούς για να εξασφαλιστεί η δυναμική ασφάλεια της συχνότητας του συστήματος. Για την διαχείριση της αβεβαιότητας στην λειτουργία του συστήματος, που εισάγεται από τις ανανεώσιμες πηγές ενέργειας, τόσο στην παραγωγή τους όσο και στην παροχή επικουρικών υπηρεσιών στην συχνότητα, αλλά και από το φορτίο του συστήματος, προτείνεται μια τεχνική εύρωστης βελτιστοποίησης για την επίλυση του προβλήματος του ημερήσιου προγραμματισμού ένταξης μονάδων.