Advanced modelling methods for modern distribution networks

Abstract

Στο εγγύς μέλλον, τα δίκτυα διανομής αναμένεται να παρουσιάζουν σημαντικές διαφορές σε σχέση με τα δίκτυα διανομής όπως τα γνωρίζουμε μέχρι σήμερα, τόσο στη δομή τους όσο και στον τρόπο λειτουργίας τους. Συγκεκριμένα, στα συμβατικά ηλεκτρικά δίκτυα, η ενέργεια παράγεται κεντρικοποιημένα από μεγάλα εργοστάσια παραγωγής και μεταφέρεται μέσω μεγάλων αποστάσεων στα κέντρα των καταναλωτών. Στα μελλοντικά δίκτυα, η ενέργεια θα παράγεται σχεδόν εξολοκλήρου από μικρότερες γεννήτριες, μεγάλο ποσοστό των οποίων θα συνδέονται απευθείας στα δίκτυα διανομής, κοντά στα σημεία κατανάλωσης. Συνεπώς, το προφίλ της τάσης και της ισχύος των μελλοντικών δικτύων διανομής θα διαφοροποιείται σημαντικά σε σχέση με αυτό των σημερινών δικτύων διανομής. Ως αποτέλεσμα της σύνδεσης μικρών μονάδων διανεμημένης παραγωγής κοντά στα σημεία κατανάλωσης, τα μελλοντικά δίκτυα διανομής θα έχουν την δυνατότητα κατά περίσταση να λειτουργούν τόσο αυτόνομα (νησιδοποιημένα), όσο και συνδεδεμένα στο κεντρικό δίκτυο. Επιπλέον, η αύξηση τόσο του αριθμού των ηλεκτρικών αυτοκινήτων, όσο και των μικρών μονάδων διανεμημένης παραγωγής αναμένεται να επιβαρύνουν τα δίκτυα διανομής κάνοντας τα να δουλεύουν κοντά στα θερμικά τους όρια. Τέλος, λόγω της αύξησης των φορτίων και γεννητριών συνεχούς ρεύματος (π.χ φωτοβολταϊκά, ηλεκτρικά αυτοκίνητα, φωτισμός LED κ.α ), υβριδικά AC/DC μικροδίκτυα αναμένεται να λειτουργούν στο κοντινό μέλλον αυξάνοντας το βαθμό απόδοσης του δικτύου συνολικά. Εξαιτίας της ραγδαίας αλλαγής της δομής και του τρόπου λειτουργίας των δικτύων διανομής, οι συμβατικές μέθοδοι μοντελοποίησης που χρησιμοποιούνται έως σήμερα στα συμβατικά δίκτυα διανομής, δε είναι λειτουργικά εφαρμόσιμοι και ακριβείς στη νέα γενιά δικτύων διανομής. Ως εκ τούτου, νέοι αλγόριθμοι μοντελοποίησης είναι ανάγκη να δημιουργηθούν, οι οποίοι θα λαμβάνουν υπόψιν τα ιδιαίτερα χαρακτηριστικά των μελλοντικών δικτύων διανομής. Σκοπός της παρούσας διατριβής είναι η ανάπτυξη προηγμένων αλγορίθμων προσομοίωσης για την μοντελοποίηση των δικτύων διανομής της επόμενης γενιάς. Η ροή φορτίου είναι ένα θεμελιώδες εργαλείο μοντελοποίησης, σχεδιασμού και επίβλεψης των ηλεκτρικών δικτύων. Συνεπώς, αυτή η διατριβή επικεντρώνεται στην ανάπτυξη μεθόδων ροής φορτίου μεγάλης ακρίβειας και χαμηλού υπολογιστικού κόστους για τα δίκτυα διανομής του μέλλοντος. Πιο συγκεκριμένα προτείνονται διάφοροι καινοτόμοι αλγόριθμοι ροής φορτίου για τα νησιδοποιημένα μικροδίκτυα εναλλασόμενου ρεύματος καθώς και για τα υβριδικά μικροδίκτυα εναλλασσόμενου και συνεχούς ρεύματος. Επιπλέον, μελετάται η επίδραση του καιρού στην ροή ισχύος σε δίκτυα που αποτελούνται από εναέριους αγωγούς και υπόγεια καλώδια. Με τις προτεινόμενες προσεγγίσεις, η θερμική κατάσταση του δικτύου μπορεί να εποπτεύεται αποτελεσματικά, αποτρέποντας το δίκτυο από υπερφόρτωση. Επίσης, προτείνουμε ακριβή και αποδοτικά μοντέλα για τους πιο κοινούς τοπικούς ελεγκτές τάσης δικτύων διανομής, όπως μετασχηματιστές με μεταγωγείς λήψεως υπό φορτίο και βηματικούς ρυθμιστές τάσης. Τέλος, προτείνουμε μια ακριβή προσέγγιση ροής ισχύος με χαμηλό χρόνο υπολογισμού για την εκτίμηση της κατάστασης των τοπικών ρυθμιστών τάσης. Επισημαίνεται ότι όλες οι προσεγγίσεις ροής ισχύος και τα μοντέλα που προτείνονται σε αυτή τη διατριβή βασίστηκαν στην Z-Bus μέθοδο ροής φορτίου, η οποία είναι γνωστό ότι προσφέρει σημαντικά πλεονεκτήματα όπως χαμηλό χρόνο υπολογισμού και εξαιρετική υπολογιστική σταθερότητα, όταν εφαρμόζεται σε δίκτυα διανομής χαμηλής και μέσης τάσης.