Novel fast techniques for online voltage and T/D power exchange control in smart distribution grids considering voltage stability issues

Alzaareer, Khaled (2020). Novel fast techniques for online voltage and T/D power exchange control in smart distribution grids considering voltage stability issues. Thèse de doctorat électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

The integration of Distributed Generation (DG) units into Distribution Networks (DNs) has been raised in the recent years. Hosting high penetration levels of DG units can add new challenges to power system operation, stability, and control. Such challenges are a) over/under voltage problems caused by the intermittent generation of DGs, b) operational conflicts between DG units and convention voltage control devices, c) voltage stability problem due to increase the electrical distances between the generator nodes and load nodes, and d) active and reactive power control problem at Transmission/Distribution (T/D) interface to meet the requirements issued by international Demand Connection Codes (DCC) at this point. Although numerous research efforts have focused to utilize DG units to solve the first two problems through Coordinated Voltage Control (CVC), the last two problems have not yet been fully studied. Besides, the calculation time needed to obtain the global control through CVC may not meet smart grid requirements.

This thesis aims to develop novel online techniques for CVC and power exchange control at T/D interface for smart DNs while considering the voltage stability issues and high-voltage (HV) side support. The fast-computational speed associated with these techniques makes them unique. Including the cost in the analysis also adds an important feature to the techniques.

The CVC and T/D power exchange control are mainly based on the relation between network voltages and control variables. Thus, a fast voltage sensitivity analysis method (ABCD model) is proposed via the direct derivative of system nodal quantities (power, current and voltage) with respect to power injections. Moreover, a new online CVC technique for choosing a global group of the most effective control variables considering the ones with low cost is proposed. This technique is based on the concept of electrical distances to define the effectiveness of control variables, and on top-down/bottom-up method for control selection. Besides, a new technique for online static voltage stability control for smart DNs is developed by using the sensitivity of the load and the equivalent impedances to control variables. The impedance sensitivities can be used to evaluate the Thevenin Load Impedance Margin (TLIM). Finally, an online multi-modes T/D power exchange control is developed by formulating the problem as Mixed-integer Quadratically Constrained Optimization Problem (MIQCP). Coordination among different types of control resources, including the customer-owned devices and utility-owned devices is achieved for this purpose.

Titre traduit

Nouvelles techniques rapides pour le contrôle de la tension et de la puissance en temps réel sur le réseau de distribution intelligent en tenant compte des problèmes de stabilité de la tension

Résumé traduit

L'intégration des unités de production distribuées (PD) dans les réseaux de distribution (RD) a augmenté ces dernières années. L’augmentation d'intégration de l`unités PD peut ajouter de nouveaux défis au fonctionnement, à la stabilité et au contrôle du système d'alimentation. Ces défis sont a) les problèmes de surtension / sous-tension causés par la génération intermittente de PD, b) les conflits opérationnels entre les unités PD et les dispositifs conventionnels de contrôle de tension, c) le problème de stabilité de tension dû à l'augmentation des distances électriques entre les noeuds du générateur et les noeuds de charge, et d) un problème de commande de puissance active et réactive à l'interface de transport / distribution (T/D) pour répondre aux exigences émises par les règlements de connexion à la demande internationaux à ce point. Bien que de nombreux efforts de recherche se soient concentrés sur l'utilisation des unités de production distribuées pour résoudre les deux premiers problèmes grâce au contrôle de tension coordonné (CTC), les deux derniers problèmes n'ont pas encore été complètement étudiés. En outre, le temps de calcul nécessaire pour obtenir le contrôle global via CTC peut ne pas répondre aux exigences du réseau intelligent.

Cette thèse vise à développer de nouvelles techniques en temps réel pour le contrôle CTC et d'échange de puissance à l'interface T/D pour les DN intelligents tout en tenant compte des problèmes de stabilité de la tension et du support côté haute tension (HT). La vitesse de calcul rapide associée à ces techniques les rend uniques. L'inclusion du coût dans l'analyse ajoute également une caractéristique importante aux techniques.

La CTC est la commande d'échange de puissance de T/D est principalement basée sur la relation entre les tensions du réseau et les variables de commande. Ainsi, une méthode d'analyse rapide de sensibilité en tension (modèle ABCD) est proposée via la dérivée directe des grandeurs nodales (puissance, courant et tension) par rapport aux injections de puissance. De plus, une nouvelle technique CTC en temps réel pour choisir un groupe global des variables de contrôle les plus efficaces compte tenu de celles à faible coût est proposée. Cette technique est basée sur le concept des distances électriques pour définir l'efficacité des variables de contrôle, et sur la méthode descendante/ascendante pour la sélection des contrôles. En outre, une nouvelle technique de contrôle de stabilité de tension statique en temps réel pour les RD intelligents est développée en utilisant la sensibilité de la charge et les impédances équivalentes pour contrôler les variables. Les sensibilités d'impédance peuvent être utilisées pour évaluer la marge d'impédance de charge de Thevenin. Enfin, un contrôle d'échange de puissance T/D multimodes en temps réel est développé en formulant le problème en tant que problème d'optimisation quadratique à entiers mixtes. La coordination entre différents types de ressources de contrôle, y compris les appareils appartenant au client et les appareils appartenant aux services publics est réalisée à cet effet.

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". Comprend des références bibliographiques (pages 181-191).
Mots-clés libres:	réseaux de distribution intelligents, génération distribuée, contrôle de tension, stabilité de tension, analyse de sensibilité
Directeur de mémoire/thèse:	Directeur de mémoire/thèse Saad, Maarouf
Codirecteur:	Codirecteur Mehrjerdi, Hasan
Programme:	Doctorat en génie > Génie
Date de dépôt:	01 févr. 2022 19:14
Dernière modification:	01 févr. 2022 19:14
URI:	https://espace.etsmtl.ca/id/eprint/2904

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