Control of distribution network with the integration of dispersed

ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIERÍA (ICAI)
GRADO EN INGENIERÍA ELECTROMECÁNICA
ESPECIALIDAD ELÉCTRICA
PROYECTO FIN DE GRADO
Control of distribution network with the integration of
dispersed energy storage systems with Multi-Agent system
approach:
DEVELOPMENT OF FIRST AND SECOND LEVELS OF CONTROL OF
HIERARCHICAL APPROACH
APPROACH.
Madrid, July 2014
GONZALO EGEA DE LA MATA
ASISSTANT: MARYAM BAHRAMPINAH
DIRECTOR: RACHID CHERKAOUI
UNIVERSIDAD PONTIFICIA COMILLAS
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INGENIERO INDUSTRIAL
Summary of the project
SUMMARY OF THE PROJECT
PROJECT
INTRODUCTION
Electric power systems are increasingly facing greater challenges from changing regulations,
evolutions in demand requirements and the incorporation of distributed generation from renewable
energy sources. These changes have shown a clear incompatibility with traditional operating control
methods due to the lack of controllability at the low voltage (LV) level. For such problem, a promising
solution seems to be to indirectly control the DG through a set of energy storage systems (ESSs)
owned by the distribution network operators (DNOs) that will be in charge of the mismatches
between generation and demand.
As part of PhD Candidate Maryam Bahrampinah’s Thesis, this project faces this challenge and makes
relevant improvements in the process. The main objective was to develop the control of distribution
networks with the integration of dispersed energy storage systems with Multi-Agent system (MAS)
approach. MAS approach aims at breaking down a complex problem into smaller tasks that will be
delivered to the different “agents”, which will be in charge of different areas, while ensuring the
correct performance of the whole system. Moreover, a hierarchical approach will be used
distinguishing different levels of importance within the ESSs where the flow of information will be
done between the different levels.
More precisely, the main goals pursued throughout the project were, as follows:
•
To develop the first level of control through Economic Load Dispatch concept.
•
To construct the second level of control with a special focus on taking into account the effect
of the external areas on the LF of a certain area.
FIRST LEVEL OF CONTROL
CONTROL
For such task, Economic Load Dispatch (ELD) will be employed. ELD is used to distribute in the most
economical way the power between several generating units in order to maintain the balance
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between generation and demand. The selection of the output of each generating unit is done in such
a way that total costs derived from controlling the system are minimized. At this stage, power losses
will be neglected since this layer will give a general overview of the system and, therefore, a high
accuracy is not necessary while computational efficiency is indeed an important factor.
This concept is strictly used in literature for generators. However, since the proposed control implies
the use of ESSs, some enhancements were done to the model to better describe this situation. First,
a storage mode was defined for the ELD for the moments in which generation is larger than
consumption, setting them as positive costs. Also, the limited capacity of ESSs, which may only store
a limited amount of energy was taken into account by introducing the State of Charge (SoC) of the
system in the variables that affect the cost of production. The resulting cost function employed for
the system is, as follows:
1
1.5
0.5
Limited capacity
| |
| |
Storage mode
SECOND LEVEL OF CONTROL
In the second part of the project, the following level was approached. The principle behind this level
will be to run the Optimal Power Flow (OPF) in the different areas of the system starting from the
solution obtained in the First Level. OPF can be understood as an enhanced Load Flow where
economic factors are taken into account. This, of course, adds another degree of detail to the
previous ELD due to the incorporation of losses as part of the problematic.
However, before the implementation of the OPF in the different areas can be done, there is a key
point that had to be tackled. Due to the partition of the system in distinct areas, it is compulsory to
take into account the influence of “the rest of the world” in the LF of a certain area. With this
purpose, several approaches were tested including the Ward Equivalent or relating the slack bus of
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an area to the boundary bus of the neighbor one. All of them proved unsuccessful until the
decomposition method was employed.
This method allows obtaining the operating point of a system without explicitly knowing data from
the other areas. The only information transfer requested is the voltage at the boundary buses. By
knowing these magnitudes, the power flow between areas will become known. In this approach, the
amount of power entering or exiting the area will be assigned to a fictive generator or load at the
boundary bus, so that if there is a power flow going from Area 1 to Area 2, the boundary bus m of
Area 1 will be assigned a load equal to the flow in the tie-line and the boundary bus k of Area 2 a
generator of the same value, as shown in the following Figure. This will be done iteratively until
convergence is reached.
Area 1
Stie-line 1-2
m
Area 1
Area 2
k
Area 2
m
Sd=Stie-line 1-2
k
Sg=Stie-line 1-2
CONCLUSIONS AND NEXT STEPS
From the results obtained through simulation, the adaptation of the ELD model for ESSs is
satisfactory and can be used with the objective set beforehand of giving an overview of the general
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power flow that should be sent between areas. These results will serve as a broad idea for the
following layers to implement the load flows in the different areas.
Regarding the second level, the decomposition method seems the most advantageous solution for
the task of determining the influence of “the rest of the world” to the LF run in a certain area.
However, in terms of time efficiency, the method proposed lags behind with respect to the
conventional method due to the iterations that must be done to reach the solution. This could
eventually become an issue for larger systems.
As part of the project development, several steps must be taken to go on with the objectives
searched for the PhD Thesis. The most relevant steps that need to be taken in the near future are:
•
Develop OPF strategy for the second level of control with the use of the decomposition method.
•
Define the third level of control, between “slave” agents within each of the areas.
•
Merge and coordinate all three levels of control.
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Resumen del proyecto
RESUMEN DEL PROYECTO
PROYECTO
INTRODUCCIÓN
Los sistemas eléctricos de potencia se enfrentan progresivamente a mayores desafíos derivados de
los cambios regulatorios, evolución de la demanda y la incorporación de la generación distribuida
por parte de las fuentes de energía renovable. Estos cambios han mostrado una clara
incompatibilidad con los métodos de control tradicionales debido a la falta de control a nivel de Baja
Tensión. Por ello, una prometedora solución parece ser realizar un control indirecto de la generación
distribuida a través de una serie de sistemas de almacenamiento de energía que se encargarán de
las posibles diferencias entre generación y demanda.
Como parte de la tesis de la candidata doctoral Maryam Bahrampinah, este proyecto afronta este
desafío y realiza relevantes mejoras en el proceso. El principal objetivo fue el desarrollo de una
estrategia de control de redes de distribución mediante la integración de sistemas de
almacenamiento de energía distribuidos empleando el sistema de Multi-Agentes. Este sistema
consiste en reducir un problema complejo en pequeñas tareas que serán distribuidas entre los
diferentes “agentes”, cada uno a cargo de una determinada área, garantizando así el correcto
funcionamiento de todo el sistema. Además, se empleará un enfoque jerárquico en el que se
distinguirán distintos niveles de importancia entre los sistemas de almacenamiento de energía en
los que el flujo de información será vertical.
En concreto, los principales objetivos del proyecto fueron:
•
Desarrollar el primer nivel de control mediante el concepto de Despacho Económico de
Carga.
•
Construir el segundo nivel de control con especial atención al efecto que tienen las áreas
externas en el flujo de cargas de una determinada área.
PRIMER NIVEL DE CONTROL
Para esta tarea, se empleará el Despacho Económico de Carga. Este concepto se utiliza para
distribuir la carga entre varias unidades de generación en la manera más económica mientras se
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garantiza el balance entre generación y demanda. La asignación de la carga a cada generador se
hace de tal forma que los costes totales derivados del control del sistema sean mínimos. En este
momento, las pérdidas de potencia serán despreciadas ya que este nivel busca dar una visión
general del sistema y, por lo tanto, no es necesaria una gran precisión mientras que la eficiencia
computacional si es un factor a tener en cuenta.
En la literatura, este concepto se utiliza estrictamente para generadores. Sin embargo, dado que el
control propuesto implica el uso de sistemas de almacenamiento, ciertas mejoras fueron realizadas
al modelo para describir la situación de la manera más fiable. Para empezar, se definió el modo de
almacenamiento para los momentos en los que la generación del sistema es mayor que la demanda,
implicando costes positivos para el sistema. Además, la capacidad limitada de los sistemas de
almacenamiento, que sólo pueden guardar una determinada cantidad de energía, fue tomada en
consideración en el cálculo de los costes de producción mediante la inclusión del Estado de Carga
(SoC). La función de costes empleada para el sistema se puede observar a continuación:
1
1.5
0.5
Capacidad limitada
| |
| |
Modo de almacenamiento
SEGUNDO NIVEL DE CONTROL
En la segunda parte del proyecto, se afrontó el siguiente nivel de control. El principio que rige este
nivel es el desarrollo del Flujo Óptimo de Carga (OPF) en las diferentes áreas del sistema partiendo
desde la solución obtenida en el primer nivel. El Flujo Óptimo de Carga se puede entender como un
Flujo de Cargas mejorado donde los factores económicos son tenidos en cuenta. Esto, por supuesto,
añade otro nivel de detalle al Despacho Económico de Carga debido a la incorporación de las
pérdidas al problema.
Sin embargo, antes de la implementación del OPF en las distintas áreas, hay un punto de capital
importancia que ha de ser abordado. Debido a la partición del sistema en distintas áreas, es
necesario tener en cuenta la influencia del “resto del mundo” en el flujo de cargas de una
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determinada área. Con este objetivo, varios enfoques fueron probados incluyendo el Equivalente
de Ward o relacionando el nodo de referencia de un área con el nodo fronterizo del área colindante.
Ninguno de ellos resultó exitoso hasta que el método de descomposición fue empleado.
Este método permite obtener el punto de operación de un sistema sin conocer explícitamente los
datos del resto de áreas. Sólo es necesario conocer el voltaje de los nodos fronterizos. Sabiendo
estas magnitudes, el flujo de potencia entre áreas pasa a ser conocido. En este enfoque, la cantidad
de potencia entrando o saliendo en un área será asignado a un generador o carga ficticios en el nodo
fronterizo, de tal forma que si hay un flujo de potencia yendo del Área 1 al Área 2, al nodo fronterizo
m del Área 1 se le asignará una carga de valor el flujo en la unión y en el nodo fronterizo k del Área
2 se asignará un generador con el mismo valor, tal y como muestra la siguiente figura. Este proceso
se hace iterativamente hasta que se alcance la convergencia.
Área 1
Stie-line 1-2
m
Área 1
Área 2
k
Área 2
m
Sd=Stie-line 1-2
k
Sg=Stie-line 1-2
CONCLUSIONES Y PRÓXIMOS PASOS
De los resultados obtenidos mediante simulación, la adaptación del modelo de Despacho
Económico de Carga para sistemas de almacenamiento de energía demostró ser satisfactorio y
puede ser utilizado con el objetivo impuesto de antemano de dar una visión general del flujo de
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carga que debería enviarse entre áreas. Estos resultados servirán como una idea general para los
siguientes niveles a la hora de implementar los flujos de cargas en las distintas áreas.
En cuanto al segundo nivel, el método de descomposición parece la solución más ventajosa para
determinar la influencia del “resto del mundo” al flujo de cargas de una determinada área. Sin
embargo, en términos de eficiencia, el método propuesto presenta desventajas frente al método
convencional debido a las iteraciones. Esto podría eventualmente convertirse en un problema por
sistemas más amplios.
Como parte del desarrollo del proyecto, quedan múltiples avances por realizar con el objetivo
buscado en la tesis doctoral. Los pasos más relevantes que han de tomarse en el futuro más
inmediato son:
•
•
•
Desarrollar la estrategia de Flujo Óptimo de Cargas para el segundo nivel de control
empleando el método de descomposición.
Definir el tercer nivel de control, entre agentes “esclavos” dentro de una misma área.
Juntar y coordinar todos los niveles de control
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