Ανάπτυξη μοντέλων προσομοίωσης επικουρικών υπηρεσιών από το δίκτυο διαμονής στο σύστημα μεταφοράς ηλεκτρικής ενέργειας

Abstract

This dissertation focuses on the development of reduced‐order equivalent models for steady‐state analysis of electric power distribution networks with high penetration of distributed generation units that provide ancillary services to the grid. The models developed can effectively replace extensive distribution networks in studies where the main focus of the analysis lies on the transmission system. Unlike conventional static distribution network models, the models and techniques proposed in this dissertation are capable of simulating with high accuracy the impact of control systems and ancillary service provision strategies implemented by distributed generation units. In this way, power flows at the point of interconnection between the distribution network and the transmission system are represented more accurately, allowing the effect of system frequency and voltage variations on active and reactive power exchanges between transmission and distribution systems to be fully quantified. In the first part of the dissertation, a black‐box modeling approach is proposed, enabling the representation of active or reactive power as a function of either voltage or frequency, based on the use of hyperbolic functions. The model is capable of effectively representing the impact of distributed generation control strategies on the power exchanged with the transmission system. Furthermore, it can be applied to distribution networks where distributed generation units participating in voltage regulation operate alongside conventional voltage control devices, such as capacitor banks and on‐load tap changer transformers. The analysis mainly focuses on modeling the dependence of power on network voltage, as this problem exhibits increased complexity due to the local nature of voltage. Subsequently, a novel methodology is proposed for the development of static equivalent models of distribution networks capable of simulating the dependence of both active and reactive power on system voltage and frequency, enabling their use in systems where frequency and voltage controls are considered in the generation units. The need for such models arises from the interdependence of electrical quantities (voltage, frequency, active power, and reactive power) when coordinated voltage and frequency control strategies are applied to distributed generation units within the distribution network. The models developed using the proposed methodology follow a grey‐box structure and consist of an equivalent load and an equivalent generation unit. These elements represent the aggregated demand and generation of the distribution network, respectively. This approach enables an efficient description of the behavior of active and reactive power delivered from the distribution network to the transmission system under different voltage and frequency conditions, while maintaining sufficient physical interpretability of the individual model components. The proposed models are evaluated through simulations on benchmark medium‐ and low‐voltage distribution networks, and their performance is compared with that of conventional load models currently used by distribution system operators. The comparisons demonstrate the superiority of the proposed models for the analysis and simulation of distribution networks hosting distributed generation units that provide ancillary services. In addition, the accuracy of the proposed models is validated using real measurements obtained from a laboratory‐scale distribution network with the support of a real‐time simulator.

Η διατριβή έχει ως αντικείμενο την ανάπτυξη ισoδύναμων μοντέλων μειωμένης τάξης για την ανάλυση της μόνιμης κατάστασης δικτύων διανομής ηλεκτρικής ενέργειας με αυξημένη διείσδυση μονάδων διανεμημένης παραγωγής, οι οποίες παρέχουν επικουρικές υπηρεσίες στο δίκτυο. Τα μοντέλα που αναπτύσσονται μπορούν να αντικαταστήσουν αποτελεσματικά εκτεταμένα δίκτυα διανομής σε μελέτες στις οποίες το ενδιαφέρον της ανάλυσης εστιάζεται στο σύστημα μεταφοράς. Σε αντίθεση με τα συμβατικά στατικά μοντέλα δικτύων διανομής, τα μοντέλα και οι τεχνικές που αναπτύσσονται στα πλαίσια της διατριβής είναι σε θέση να προσομοιώσουν με πολύ μεγάλη ακρίβεια τον αντίκτυπο των συστημάτων ελέγχου και των στρατηγικών παροχής επικουρικών υπηρεσιών από τις μονάδες διανεμημένης παραγωγής. Έτσι, μοντελοποιούνται ακριβέστερα οι ροές ισχύος στο κοινο σημείο διασύνδεσης του δικτύου διανομής με το σύστημα μεταφοράς και ποσοτικοποιείται πλήρως η επίδραση της συχνότητας του συστήματος και της τάσης στις ανταλλαγές ενεργού και άεργου ισχύος μεταξύ του συστήματος μεταφοράς και του δικτύου διανομής. Αρχικά, προτείνεται η ανάπτυξη ενός μοντέλου μαύρου κουτιού, βασιζόμενο στη χρήση υπερβολικών συναρτήσεων, το οποίο επιτρέπει την αναπαράσταση της ενεργού ή της αέργου ισχύος ως συνάρτηση της τάσης ή της συχνότητας. Το προτεινόμενο μοντέλο επιτρέπει την αποτελεσματική μοντελοποίηση του αντίκτυπου στρατηγικών ελέγχου των μονάδων διανεμημένης παραγωγής στην ισχύ που ρέει στο κοινό σημείο σύνδεσης με το σύστημα μεταφοράς. Επιπλέον, μπορεί να εφαρμοστεί σε δίκτυα διανομής στα οποία συνυπάρχουν μονάδες διανεμημένης παραγωγής που συμμετέχουν στη ρύθμιση της τάσης μαζί με συμβατικά συστήματα ελέγχου τάσης, όπως πυκνωτές αντιστάθμισης και συστήματα αλλαγής τάσης υπό φορτίο. Η ανάλυση επικεντρώνεται κυρίως στη μοντελοποίηση της εξάρτησης της ισχύος από την τάση του δικτύου, καθώς το συγκεκριμένο πρόβλημα παρουσιάζει μεγαλύτερη πολυπλοκότητα λόγω του τοπικού χαρακτήρα της τάσης. Στη συνέχεια, προτείνεται μια μεθοδολογία για την ανάπτυξη ισοδύναμων στατικών μοντέλων δικτύων διανομής, ικανών να προσομοιώσουν την εξάρτηση της ενεργού και της αέργου ισχύος, ταυτόχρονα ως προς την τάση και ως προς τη συχνότητα του συστήματος, ιδιαίτερα σε περιπτώσεις ταυτόχρονης λειτουργίας ελέγχων τάσης και συχνότητας στις μονάδες διανεμημένης παραγωγής. Η ανάγκη για τέτοιου είδους μοντέλα προκύπτει από την αλληλεξάρτηση των ηλεκτρικών μεγεθών (τάσης, συχνότητας, ενεργού και αέργου ισχύος) όταν εφαρμόζονται συνδυασμένοι έλεγχοι συχνότητας και τάσης στις μονάδες διανεμημένης παραγωγής του δικτύου διανομής. Τα μοντέλα που αναπτύσσονται έχουν τη δομή γκρίζου κουτιού και αποτελούνται από ένα ισοδύναμο φορτίο και μια ισοδύναμη μονάδα παραγωγής. Τα στοιχεία αυτά αναπαριστούν τη συνολική ζήτηση και παραγωγή, αντίστοιχα, του δικτύου διανομής. Η προσέγγιση αυτή επιτρέπει την αποδοτική περιγραφή της συμπεριφοράς της ενεργού και της αέργου ισχύος που αποστέλλεται από το δίκτυο διανομής προς το σύστημα μεταφοράς κάτω από διαφορετικά επίπεδα τάσης και συχνότητας, προσφέροντας παράλληλα επαρκή φυσική ερμηνεία των επιμέρους στοιχείων του μοντέλου. Τα προτεινόμενα μοντέλα αξιολογούνται μέσω προσομοιώσεων σε πρότυπα δίκτυα μέσης και χαμηλής τάσης που φιλοξενούν μονάδες διανεμημένης παραγωγής οι οποίες παρέχουν επικουρικές υπηρεσίες στο δίκτυο. Οι εκτιμήσεις τους συγκρίνονται με αυτές των συμβατικών μοντέλων φορτίου που χρησιμοποιούνται σήμερα από τους διαχειριστές των δικτύων διανομής, αποδεικνύοντας την ανωτερότητα των προτεινόμενων μοντέλων. Επίσης, η ακρίβεια των προτεινόμενων μοντέλων αξιολογείται μέσω πραγματικών μετρήσεων, που πραγματοποιήθηκαν σε δίκτυο διανομής εργαστηριακής κλίμακας με τη βοήθεια ενός προσομοιωτή πραγματικού χρόνου.