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Optimal power flow considering voltage stability with significant wind penetration

Bavafa, Majid (2017). Optimal power flow considering voltage stability with significant wind penetration. Thèse de doctorat électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

Voltage stability evaluation is one of the major issues in the power system operation and control. One reason is that there is an enormous number of voltage collapses which frequently occurs. The principal objective of this thesis is to choose appropriate criteria for voltage stability evaluation in optimal power flow (OPF) approach considering the worst contingency or the congested condition. Voltage stability can be affected by several elements and control ways which operate on different time scales. In particular, the role of wind power generation, demand response (DR), over excitation limiter (OXL), energy storage system (ESS) and on-load tap changer (OLTC) are significant. The proper modelling of these elements and control ways as well as using in an OPF approach should be analyzed in longterm voltage stability.

First, an impedance-based (IB) index is presented in this thesis that can evaluate unstable behavior of the power system with doubly-fed induction generator (DFIG) wind farms integration. A model for DFIG capability curve limits is presented that can be integrated to the internal circuit of the generator. Furthermore, the OLTC model was added to this index. The index uses the concept of coupled single-port circuit. The OPF with new IB-index constraint is implemented to show the performance of the index.

This study also introduces a multi-objective stochastic optimal power flow (SOPF) approach with the presence of uncertain wind power generations. The multi-objective SOPF investigates the operating cost, voltage stability and emission effects as the objective functions. The effect of the DR program is considered in this study. The fuzzification technique is used to normalize all objective functions in the multi-objective SOPF. A line voltage stability index (LVSI) is presented and compared with other LVSIs. The proposed multi-objective SOPF is also carried out with different existing LVSIs as the objective functions.

Following the voltage stability assessment, the frequency control is also considered in the SOPF. In this case, the frequency restoration scheme cooperates with DR and spinning reserve to stop a frequency drop in contingency events. This scheme is defined in three levels. Furthermore, an extended-L (EL) index is used to evaluate voltage stability analysis. Several frequency and voltage constraints are added in the SOPF approach. The EL-index considers a generator equivalent model (GEM). In addition, energy storage systems (ESSs) are considered in this SOPF approach.

Those approaches are analyzed in detail and they are tested and validated on several case studies. The results show that the proposed approaches operate successfully.

Titre traduit

Flux de puissance optimale compte tenu de la stabilité en tension avec forte penetration du vent

Résumé traduit

L'évaluation de la stabilité de la tension est l'un des problèmes majeurs dans le fonctionnement et le contrôle du système d'alimentation. L'une des raisons est le nombre important de chutes de tension qui surviennent fréquemment. L'objectif principal de cette thèse est de choisir un critère approprié pour l'évaluation de la stabilité de la tension dans une approche optimale du flux de puissance (OPF) en considérant la pire contingence possible, ou un état congestionné. La stabilité de la tension peut être affectée par de nombreux éléments et moyens de contrôle qui opèrent à différentes échelles de temps. En particulier, les rôles de la génération d'énergie éolienne, de la réponse à la demande (DR), du limiteur de surexcitation (OXL), du système de stockage d'énergie (ESS) et du changeur de prises (OLTC) sont significatifs. La modélisation appropriée de ces éléments et des moyens de contrôle ainsi que l'utilisation d’une approche OPF devraient être analysés dans des conditions de tension stable sur un long terme.

Tout d'abord, un indice basé sur l'impédance (IB) est présenté dans cette thèse et permet d'évaluer le comportement instable du système d'alimentation intégré à des parcs éoliens avec générateur d'induction doublement alimenté (DFIG). Un modèle pour les limites de la courbe de capacité DFIG pouvant être intégré au circuit interne du générateur est présenté. D’autre part, le modèle OLTC a été ajouté à cet indice. L'indice utilise le concept du circuit à un seul port couplé. L'OPF avec une nouvelle contrainte sur l’indice d’impédance (IB) est implémenté pour démontrer la performance de ce dernier.

Cette étude introduit également une approche du flux de puissance optimale stochastique (SOPF) multi-objectif en présence de génération d’énergie éolienne incertaine. Le SOPF multi-objectif étudie les coûts d'exploitation, la stabilité de la tension et les effets d'émission en tant que fonctions objectifs. L'effet du programme DR est considéré dans cette étude. La technique de fuzzification est utilisée afin de normaliser toutes les fonctions objectifs du SOPF multi-objectif. Un indice de stabilité de tension de ligne (LVSI) est présenté et comparé à d'autres. Le SOPF multi-objectif proposé est également réalisé avec différentes LVSI existantes en tant que fonctions objectifs.

Suite à l'évaluation de la stabilité de la tension, le contrôle de la fréquence est également pris en compte dans le SOPF. Dans ce cas, le procédé de restauration de fréquence coopère avec la DR et la réserve tournante pour arrêter la baisse de fréquence dans les événements de contingence. Ce procédé est défini en trois niveaux. De plus, un indice L (EL) étendu est utilisé pour évaluer l'analyse de la stabilité de la tension. Plusieurs contraintes de fréquence et de tension sont ajoutées dans l'approche SOPF. L'indice EL considère un modèle equivalent de générateur (GEM). En outre, les systèmes de stockage d'énergie (ESS) sont considérés dans cette approche SOPF.

Ces approches sont analysées en détail, testées et validées sur plusieurs études de cas. Les résultats montrent que l'approche proposée fonctionne avec succès.

Type de document: Mémoire ou thèse (Thèse de doctorat électronique)
Renseignements supplémentaires: "Manuscript-based thesis presented to École de technologie supérieure in partial fulfillment for the degree of doctor of philosophy". Bibliographie : pages 133-147.
Mots-clés libres: Réseaux électriques (Énergie) Stabilité Évaluation. Tension électrique Perturbations Modèles mathématiques. Régulateurs de tension. Intégration des énergies renouvelables. Énergie éolienne. Centrales éoliennes. flux, optimal, puissance, stochastique, indice de stabilité de la tension, réponse à la demande, parcs éoliens
Directeur de mémoire/thèse:
Directeur de mémoire/thèse
Dessaint, Louis-A.
Programme: Doctorat en génie > Génie
Date de dépôt: 25 sept. 2017 20:16
Dernière modification: 25 sept. 2017 20:16
URI: http://espace.etsmtl.ca/id/eprint/1942

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