Modeling challenges and potential solutions for integration of emerging DERs in DMS applications: power flow and short-circuit analysis

Abstract

We aim to systematically review challenges imposed by emerging distributed energy resources (DERs) to model in two basic distribution management system (DMS) online applications-power flow and short-circuit analysis, as well as to offer a systematic review of potential solutions. In the last decade, electronically coupled DERs became increasingly popular. DERs can employ a wide range of control strategies for power, current, or voltage control, in both normal and faulted conditions. Therefore, DERs cannot be modeled with the traditional PQ (load or generator bus), and PV (generator bus) bus types used for modeling synchronous and induction machines in online power flow calculations. Moreover, because fault currents of DERs are limited to predefined maximal values, electronically coupled DERs cannot be represented with traditional voltage source behind impedance models for online short-circuit calculation (SCC). However, most of the DMS software packages still use the traditional models to represent all DER types, including those that are electronically coupled. This paper shows that there will be high calculation errors in such practice, which makes the system model be an inadequate representation of the system. And this will lead to serious errors in managing, control, and operation of distribution systems. Nonetheless, potential solutions to the challenges are systematically reviewed. Finally, calculation results on a distribution test system with all DER types are used to prove the claim.

Coordinated Control of DFIG Converters to Comply with Reactive Current Requirements in Emerging Grid Codes

“…The impact of control strategies on the fault current of the DFIG has been shown to be important and plays a role in circuit breaker ratings and protection settings [31]- [33]. However, to the best of authors' knowledge, its I2R characteristics have not been discussed in detail from the grid perspective considering different control strategies and emerging grid codes.…”

Analytical Inverter-Based Distributed Generator Model for Power Flow Analysis

“…These models neglect the unique characteristics of inverter-based distributed generation sources [2]- [5] and have scalability and convergence issues [6]. Worse, they are ill-suited for increasing solar penetration scenarios [2], [3]. The North American Electric Reliability Corporation (NERC) advises that DG modeling should consider their dynamic characteristics and steady-state output [2].…”

Análise de curto-circuito probabilístico em sistemas de distribuição de energia elétrica com geração distribuída

“…Como descrito em Strezoski et al (2019), para a integração de GD na análise de curtocircuito, necessita-se modelar as fontes geradoras de diferentes maneiras, de acordo com a característica de cada gerador. Geralmente, essa consideração não é realizada por ferramentas comerciais que muitas vezes consideram apenas a modelagem clássica da fonte de tensão atrás de uma impedância, negligenciando o tipo de gerador, que pode não ser uma máquina rotativa.…”

“…Geralmente, essa consideração não é realizada por ferramentas comerciais que muitas vezes consideram apenas a modelagem clássica da fonte de tensão atrás de uma impedância, negligenciando o tipo de gerador, que pode não ser uma máquina rotativa. Em Strezoski e Prica (2016), Trujillo (2017) e Strezoski et al (2019), apresentamse modelos simplificados de quatro tecnologias de GDs para aplicação em cálculos de curtocircuito, sendo eles: gerador síncrono, módulo fotovoltaico conectado à rede por meio de inversor, gerador de indução e gerador de indução duplamente alimentado (DFIG, do inglês: Doubly-Fed Induction Generator). Os modelos obtidos baseiam-se nos parâmetros considerados nas normas ANSI/IEEE-C37.010 (2016) e IEC-60909 (2001), as quais são amplamente empregadas no cálculo das correntes de curto-circuito para dimensionamento dos dispositivos de proteção da rede elétrica.…”

“…Outro importante ponto a ser considerado na análise de faltas em SDEEs refere-se à inserção de Geração Distribuída (GD) na rede, que pode impactar significativamente nos níveis de curto-circuito do sistema (SABER; GHALI; ELZAHAB, 2017). Os novos níveis de curto-circuito dependerão, além da estrutura da rede, dos tipos de geradores instalados (STREZOSKI et al, 2019). O aumento dos valores das correntes de curto-circuito pode provocar danos aos equipamentos e causar a perda de coordenação dos dispositivos de proteção já instalados na rede (PETEAN, 2014;TRUJILLO, 2017).…”