ADMM-based multi-objective control scheme for mitigating the impact of high penetration DER integration in the modern distribution systems

Rahimi Far, Sadaf (2023). ADMM-based multi-objective control scheme for mitigating the impact of high penetration DER integration in the modern distribution systems. Thèse de doctorat électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

The integration of renewable energy sources in modern distribution networks has introduced challenges for grid voltage regulation. In light of this, the present study proposes a multi-agent distributed voltage control strategy that utilizes the proximal Jacobian alternating direction method of multipliers (PJ-ADMM) algorithm for distribution power systems with a high penetration of photovoltaic (PV) resources coordinated with battery energy storage systems (BESS). The study aims to address the voltage violation issue caused by the mismatch between loads and solar PV generation, as well as uncertainties associated with the intermittent nature of PV generation, in distribution networks with a high penetration of PV resources. The objective is to develop a robust and scalable control technique that can handle the high penetration of Distributed Energy Resources (DERs) in an extensive network using the JPADMM algorithm for voltage control by optimizing the active and reactive power support in a large-scale network.

The proposed solution is divided into two phases. In the first phase, the voltage control problem is formulated as an optimization problem using the PJ-ADMM algorithm to regulate the voltages within an acceptable limit with fast convergence. The approach considers both the active and reactive power of PVs in high PV penetration distribution power systems. In the second phase, a coordinated voltage control strategy for smart PV inverters and BESS is developed to allocate the power capacity of the BESSs and minimize the active power loss, as well as mitigate voltage violations. This phase determines the optimal sizing of virtual BESS units in the distribution network and minimizes active power losses through the coordination of PVs and BESSs smart inverters. The control policy ensures efficient active voltage regulation by absorbing or injecting the minimum active power and charging or discharging the BESS during both PV generation and peak demand periods.

This thesis aims to develop a novel active control scheme that addresses voltage rise and drop issues while maintaining voltage profiles within permissible limits and decreasing losses. The BESS-sizing method provided by photovoltaic-battery inverters helps minimize PV energy loss. The optimization formulation of each agent takes into account variable parameters and considers uncertainties associated with solar energy generation and load demands. The PJADMM algorithm controls smart PV inverters locally and allocates the charging/discharging rates of the BESS based on minimum curtailment. This intelligent method demonstrates the ability of smart inverters to handle PV uncertainties and provide voltage support through either active or reactive power.

Finally, the proposed method is evaluated using MATLAB/Simulink and MATPOWER on modified IEEE 13-bus, 33-bus, and 141-bus distribution systems. The results demonstrate the effectiveness, robustness, and scalability of the distributed scheme for voltage improvement and optimal utilization of PV power under various scenarios.

Titre traduit

Schéma de contrôle multi-objectifs basé sur MMDA pour atténuer l'impact de l'intégration DER à haute pénétration dans les systèmes de distribution modernes

Résumé traduit

L'intégration des sources d'énergie renouvelable dans les réseaux de distribution modernes a introduit des défis pour la régulation de la tension du réseau. Dans ce contexte, la présente étude propose une stratégie de contrôle de tension distribuée à agents multiples qui utilise l'algorithme MDAJPM (méthode de direction alternée jacobienne proximale des multiplicateurs) pour les systèmes de distribution d'énergie avec une forte pénétration de ressources photovoltaïques (PV) coordonnées avec des systèmes de stockage d'énergie par batteries (SSEB). L'étude vise à résoudre le problème de violation de la tension causé par le déséquilibre entre les charges et la génération de PV solaire, ainsi que les incertitudes associées à la nature intermittente de la génération de PV, dans les réseaux de distribution avec une forte pénétration de ressources PV. L'objectif est de développer une technique de contrôle robuste et évolutive qui peut gérer une forte pénétration de ressources d'énergie distribuée dans un réseau étendu en utilisant l'algorithme MDAJPM pour le contrôle de tension en optimisant le soutien de la puissance active et réactive dans un réseau à grande échelle.

La solution proposée est divisée en deux phases. Dans la première phase, le problème de contrôle de tension est formulé comme un problème d'optimisation à l'aide de l'algorithme MDAJPM pour réguler les tensions dans une limite acceptable avec une convergence rapide. L'approche prend en compte à la fois la puissance active et réactive des PV dans les systèmes de distribution d'énergie à forte pénétration de PV. Dans la deuxième phase, une stratégie de contrôle de tension coordonnée pour les onduleurs PV intelligents et les SSEB est développée pour allouer la capacité de puissance des SSEB et minimiser la perte de puissance active, ainsi que pour atténuer les violations de tension. Cette phase détermine la taille optimale des unités virtuelles de SSEB dans le réseau de distribution et minimise les pertes de puissance active grâce à la coordination des onduleurs intelligents PV et SSEB. La politique de contrôle garantit une régulation active efficace de la tension en absorbant ou en injectant la puissance active minimale et en chargeant ou déchargeant les SSEB pendant les périodes de génération PV et de demande de pointe.

Cette thèse vise à développer un nouveau schéma de contrôle actif qui aborde les problèmes de hausse et de baisse de tension tout en maintenant les profils de tension dans les limites permises et en diminuant les pertes. La méthode de dimensionnement de SSEB fournie par les onduleurs photovoltaïques-batteries aide à minimiser les pertes d'énergie PV. La formulation d'optimisation de chaque agent prend en compte les paramètres variables et les incertitudes associées à la génération d'énergie solaire et aux demandes de charge. L'algorithme MDAJPM contrôle les onduleurs PV intelligents localement et alloue les taux de charge/décharge des SSEB en fonction de la réduction minimale. Cette méthode intelligente démontre la capacité des onduleurs intelligents à gérer les incertitudes liées à la production d'énergie solaire photovoltaïque et à fournir un support de tension grâce à la puissance active ou réactive.

Enfin, la méthode proposée est évaluée à l'aide de MATLAB/Simulink et de MATPOWER sur des systèmes de distribution modifiés de 13, 33 et 141 bus de l'IEEE. Les résultats démontrent l'efficacité, la robustesse et la scalabilité du schéma distribué pour l'amélioration de la tension et l'utilisation optimale de l'énergie solaire photovoltaïque dans divers scénarios.

Type de document:	Mémoire ou thèse (Thèse de doctorat électronique)
Renseignements supplémentaires:	"Thesis presented to École de technologie supérieure in partial fulfillment for the degree of doctor of philosophy". Comprend des références bibliographiques (pages 120-129).
Mots-clés libres:	solaire photovoltaïque (PV), contrôle de tension, système multi-agents, systèmes de stockage d'énergie par batterie (SSEB)., méthode de direction alternée jacobienne proximale des multiplicateurs (MDAJPM)
Directeur de mémoire/thèse:	Directeur de mémoire/thèse Chandra, Ambrish
Codirecteur:	Codirecteur Kamwa, Innocent
Programme:	Doctorat en génie > Génie
Date de dépôt:	28 août 2023 13:52
Dernière modification:	28 août 2023 13:52
URI:	https://espace.etsmtl.ca/id/eprint/3246

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