A methodology for generation capacity and network reinforcement planning

Abstract

This thesis presents a novel methodology for generation expansion planning. The method is based on Optimal Power Flow (OPF), a common tool for the economic operation of power systems. New generation capacity is simulated by means of virtual generators located at the candidate connection points, so OPF is used to plan generation expansion with respect to operating constraints of the existing network. Further research examined the bounds set on generation penetration by the specification of existing switchgear equipment, specifically switchgear and the contribution of additional generation to fault levels. Initially, the new constraints were considered in a three-step iterative generation allocation process. In each iteration, potential generators are gradually downsized from their original OPF allocation, which ignores expected fault currents, in proportion to their contribution to violations of switchgear equipment specifications. The process iterates until both system and fault constraints are satisfied. However, the iterative nature of the above approach cannot guarantee optimality for the final solution. Therefore, a new method had to be developed for the direct incorporation of switchgear constraints in generation expansion. The modelling of new capacity with virtual generators gives access to power flow control variables. Binding constraints for generation expansion can be expressed as constrained functions of those variables. Accordingly, expected fault currents were expressed as functions of OPF variables and switchgear equipment specification were converted to constraints for these functions. Thereafter, the allocation of new capacity by the OPF directly respects both system and fault constraints. The iterative approach has been proven less efficient than the later approach, but still maintains some advantages should the method be commercially exploited. Generator voltage control policies can also be converted to OPF constraints. The functionality of the suggested generation capacity allocation method was expanded to operate as an assessment tool of their impact on the amount of new capacity that a network can absorb. The method was expanded further, so as to consider the impact of capacity allocation on transmission losses. With a minor reformulation of the original method a new tool was designed for the optimal sitting of reactive power compensation banks for the improvement of network headroom. Finally, a network planning method is presented based on the LaGrange multipliers, sensitivity by-products of the OPF solution method, which connect network constraints with generation expansion. Generation expansion is planned simultaneously with network reinforcement, so the overall optimum is achieved. The main conclusion of this work is that OPF can be used as a powerful planning, as well as operating tool. Its flexible formulation allows the incorporation of emerging constraints in generation and network expansion, such as those imposed by switchgear.

Η παρούσα διατριβή παρουσιάζει μια νέα μεθοδολογία για τον προγραμματισμό επέκτασης παραγωγής. Η μέθοδος βασίζεται στο Optimal Power Flow (OPF), ένα κοινό εργαλείο για την οικονομική λειτουργία των συστημάτων ισχύος. Η νέα δυναμικότητα παραγωγής προσομοιώνεται μέσω εικονικών γεννητριών που βρίσκονται στα υποψήφια σημεία σύνδεσης, επομένως το OPF χρησιμοποιείται για τον προγραμματισμό της επέκτασης παραγωγής σε σχέση με τους λειτουργικούς περιορισμούς του υπάρχοντος δικτύου. Περαιτέρω έρευνα εξέτασε τα όρια που τίθενται στη διείσδυση της παραγωγής από τις προδιαγραφές του υπάρχοντος εξοπλισμού διακοπτών, ειδικότερα του εξοπλισμού διανομής και τη συμβολή της πρόσθετης παραγωγής στα επίπεδα σφάλματος. Αρχικά, οι νέοι περιορισμοί εξετάστηκαν σε μια επαναληπτική διαδικασία κατανομής της παραγωγής σε τρία στάδια. Σε κάθε επανάληψη, οι πιθανές γεννήτριες μειώνονται σταδιακά από την αρχική τους κατανομή OPF, η οποία αγνοεί τα αναμενόμενα ρεύματα σφάλματος, ανάλογα με τη συμβολή τους σε παραβιάσεις των προδιαγραφών του εξοπλισμού διακοπτών. Η διαδικασία επαναλαμβάνεται μέχρι να ικανοποιηθούν και οι περιορισμοί συστήματος και σφάλματος. Ωστόσο, η επαναληπτική φύση της παραπάνω προσέγγισης δεν μπορεί να εγγυηθεί τη βέλτιστη λύση για την τελική λύση. Ως εκ τούτου, έπρεπε να αναπτυχθεί μια νέα μέθοδος για την άμεση ενσωμάτωση των περιορισμών του εξοπλισμού διανομής στην επέκταση της παραγωγής. Η μοντελοποίηση νέας εγκατεστημένης ισχύος με εικονικές γεννήτριες δίνει πρόσβαση σε μεταβλητές ελέγχου ροής ισχύος. Οι δεσμευτικοί περιορισμοί για την επέκταση παραγωγής μπορούν να εκφραστούν ως περιορισμένες συναρτήσεις αυτών των μεταβλητών. Αντίστοιχα, τα αναμενόμενα ρεύματα σφάλματος εκφράστηκαν ως συναρτήσεις των μεταβλητών OPF και οι προδιαγραφές εξοπλισμού διακοπτών μετατράπηκαν σε περιορισμούς για αυτές τις λειτουργίες. Στη συνέχεια, η κατανομή νέας εγκατεστημένης παραγωγής από το OPF σέβεται άμεσα τους περιορισμούς τόσο του συστήματος όσο και των σφαλμάτων. Η επαναληπτική προσέγγιση έχει αποδειχθεί λιγότερο αποτελεσματική από την νεότερη προσέγγιση, αλλά εξακολουθεί να διατηρεί ορισμένα πλεονεκτήματα σε περίπτωση εμπορικής εκμετάλλευσης της μεθόδου. Οι πολιτικές ελέγχου τάσης γεννήτριας μπορούν επίσης να μετατραπούν σε περιορισμούς OPF. Η λειτουργικότητα της προτεινόμενης μεθόδου κατανομής δυναμικότητας παραγωγής επεκτάθηκε για να λειτουργήσει ως εργαλείο αξιολόγησης του αντίκτυπού τους στην ποσότητα της νέας εγκατεστημένης ισχύος που μπορεί να απορροφήσει ένα δίκτυο. Η μέθοδος επεκτάθηκε περαιτέρω, προκειμένου να εξεταστεί ο αντίκτυπος της κατανομής της εγκατεστημένης ισχύος στις απώλειες μεταφοράς. Με μια μικρή αναδιατύπωση της αρχικής μεθόδου σχεδιάστηκε ένα νέο εργαλείο για τη βέλτιστη τοποθέτηση τραπεζών αντιστάθμισης άεργης ισχύος για τη βελτίωση της δυνατότητας του δικτύου να απορροφήσει νέα παραγωγή. Τέλος, παρουσιάζεται μια μέθοδος σχεδιασμού δικτύου που βασίζεται στους πολλαπλασιαστές LaGrange, υποπροϊόντα ευαισθησίας της μεθόδου λύσης OPF, που συνδέουν περιορισμούς δικτύου με επέκταση παραγωγής. Η επέκταση της παραγωγής σχεδιάζεται ταυτόχρονα με την ενίσχυση του δικτύου, έτσι ώστε να επιτυγχάνεται το συνολικό βέλτιστο. Το κύριο συμπέρασμα αυτής της εργασίας είναι ότι το OPF μπορεί να χρησιμοποιηθεί ως ισχυρό εργαλείο σχεδιασμού, καθώς και ως εργαλείο λειτουργίας. Η ευέλικτη διατύπωσή του επιτρέπει την ενσωμάτωση αναδυόμενων περιορισμών στην παραγωγή και την επέκταση του δικτύου, όπως αυτοί που επιβάλλονται από τον εξοπλισμό διανομής.