Répartition optimale de la production électrique avec une contrainte de stabilité transitoire établie par une approche statistique

Zerigui, Amel (2015). Répartition optimale de la production électrique avec une contrainte de stabilité transitoire établie par une approche statistique. Thèse de doctorat électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

Dans le vaste domaine des réseaux électriques, l’étude de l’écoulement de puissance optimal avec la contrainte de la stabilité transitoire (TSC-OPF) présente des défis majeurs. Leur résolution s’avère complexe et requiert d’énormes efforts de calculs.

Une des finalités du travail effectuée dans le cadre de cette thèse est de proposer une solution au problème de l’écoulement de puissance optimal avec la contrainte de la stabilité transitoire (TSC-OPF). Un des critères importants de cette solution est de permettre une résolution des problèmes dans un temps minimal. La solution permettra aussi une répartition de la puissance qui assure la stabilité de réseau électrique. Pour répondre à ces objectifs, ce travail a été structuré en trois parties qui forment les principaux axes de la thèse.

La première partie est consacrée au développement d’une fonction analytique utilisée dans l’estimation de l’index de la stabilité transitoire (CCT : Critical Clearing Time). Initialement, une étude statistique était effectuée afin d’identifier les paramètres importants contribuant au calcul du CCT. Cela permet de réduire le nombre des paramètres de la future fonction analytique. Ensuite, de nouvelles bases de données sont créées pour servir à la modélisation du CCT. La méthodologie des plans d’expériences de Taguchi a été utilisée pour la création de ces bases de données, ce qui a permis de réduire le nombre de points d’opération dans les bases de données. Dans cette base de données, les paramètres significatifs sont variés par le critère de Taguchi, et les paramètres non significatifs sont fixés dans leur solution de l’écoulement de puissance optimal. À cette étape de l’étude, le CCT de ces nouvelles bases de données est calculé par une simulation dans l’espace temporel. Enfin, une fonction analytique qui calcule (prédit) le CCT est développée à partir du modèle statistique krigeage dual, utilisé pour la première fois dans le domaine des réseaux électriques. Ce modèle par la suite a été évalué par plusieurs critères d’évaluations. Les résultats indiquent une bonne concordance entre le CCT estimé de système réduit et celui calculé par la simulation dynamique de système complet.

Dans la deuxième partie, la fonction développée en première partie sera utilisée pour résoudre le problème de l’écoulement de puissance optimal avec la contrainte de la stabilité transitoire TSC-OPF. Cette fonction estimée est considérée comme la seule contrainte de la stabilité transitoire qui sera ajoutée aux contraintes statiques de l’écoulement de puissance. La méthode d’optimisation du point intérieur a été utilisée pour la résolution du problème de TSC-OPF. La méthode a été modifiée afin d’accélérer la convergence des calculs d’optimisation. Aussi, cette méthode d’optimisation nécessite le calcul du Jacobien et du Hessien, pour cette raison la première et la deuxième dérivées des contraintes ont été requises. À la fin, et après avoir résolu le problème de TSC-OPF, la nouvelle répartition de puissance obtenue assure la stabilité du réseau électrique. Dans ce travail, le type de l’instabilité des contingences étudiées sont des instabilités du premier swing (first swing). Enfin, et en troisième lieu, la méthodologie décrite dans la partie précédente est appliquée à deux réseaux électriques : le réseau New England 10 machines- 39 barres, et le réseau 50 machines-145 barres. Ainsi, trois contingences ont été considérées pour le réseau New England, et une contingence pour le réseau 50 machines. En plus de cela, la multicontingence a été considérée dans le cas du réseau New England. En résumé, quatre fonctions de CCT ont été estimées (chaque réseau électrique et chaque contingence a une fonction spécifique). Les résultats montrent que toutes les nouvelles distributions de puissances obtenues par le programme de TSC-OPF proposé assurent la stabilité des systèmes électriques testés en quelques secondes. La stabilité des points finaux obtenus a été testée par la simulation temporelle. Les résultats montrent que les systèmes sont dans tous les cas stables, ce qui confirme les conclusions de la méthodologie établie dans le cadre de cette thèse.

Titre traduit

A statistical approach to transient stability constrained optimal power flow

Résumé traduit

The transient stability constrained optimal power flow (TSC-OPF) is a big challenge in the field of power systems because of its high complexity and extensive computation effort involved in its solution.

The main objective of this thesis is to provide a solution to the problem of transient stability constrained optimal power flow (TSC-OPF). This solution should be done in short time. The final solution of the problem of TSC-OPF results a new operating point which ensures the stability of the power system. To meet this objective, this work is structured in three main parts :

First, an analytical function is computed to estimate the constraint of transient stability which is presented by the critical clearing time CCT. Given the huge dimensionality of the problem, a statistical analysis is firstly used for reducing the number of input variables in an initial database to those which are significant in computing CCT. To provide the CCT in functional form, we construct a new database by using design of experiment (DoE). Taguchi design (table) was used to build this database which provides only the significant parameters. The aim of this step is to reduce the number of the operating points in the database. Then, the CCT is computed by using time domain simulation. However, to compute the CCT by time domain simulation, the non significant parameters are also needed, for this; these parameters are fixed in the solution of optimal power flow. Finally, a statistical model is established by using Dual-Kriging method to predict the CCT. This model was subsequently evaluated by several criteria. The results of the evaluation indicate that the CCT estimated by the proposed function is nearly equal to that computed by time domain simulation method.

Second, the proposed function in the first part of this work is used to solve the problem of transient stability constrained optimal power flow TSC-OPF. The estimated CCT is considered as a single transient stability constraint which will be subsequently included with the constraints static of power flow. The interior point (IP) optimization method is used to solve the problem of TSC-OPF. This method was modified to accelerate the convergence of the optimization. The interior point method required the computation of the jacobian and the hessian matrices, for this the first and the second derivatives of all the constraints are needed. The solution of the problem of TSC-OPF provides a new operating point which ensures the stability of the power system. In this study, only fist-swing transient instability phenomena are considered.

Third, this methodology was tested by using two power systems which are New England 10 machines – 39 bus and 50 machines – 145 bus power systems. Three contingencies were considered for New England system and one for 50 machines network. The multicontingency is also considered for the New England. Consequently, four functions of CCT were computed (each contingency has a specific function). The results show that all the obtained re-dispatching points from the proposed program of TSC-OPF ensure the stability of the power system. The obtained points were tested by using time domain simulation; the results confirm the stability of the systems in all cases of study.

Type de document:	Mémoire ou thèse (Thèse de doctorat électronique)
Renseignements supplémentaires:	"Thèse présentée à l'École de technologie supérieure comme exigence partielle à l'obtention du doctorat en génie". Bibliographie : pages 127-136.
Mots-clés libres:	Réseaux électriques (Énergie) Répartition des charges Modèles mathématiques. Régime transitoire (Électricité) Réseaux électriques (Énergie) Stabilité. Fonctions analytiques. Krigeage. stabilité transitoire, écoulement de puissance optimal, modélisation, krigeage dual
Directeur de mémoire/thèse:	Directeur de mémoire/thèse Dessaint, Louis-A.
Programme:	Doctorat en génie > Génie
Date de dépôt:	14 avr. 2015 20:08
Dernière modification:	17 mars 2017 01:10
URI:	https://espace.etsmtl.ca/id/eprint/1454

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