Διείσδυση κατανεμημένης ηλεκτροπαραγωγής σε δίκτυο ηλεκτρικής ενέργειας

Abstract

Distributed Generation (DG), loosely defined as small-scale electricity generation, is a fairly new concept in Power Systems literature and electricity markets, but the idea behind is not new at all. In the last decade, technological innovations and the changing economic and regulatory environment have resulted in a renewed interest for DG. The introduction of DG may have an adverse impact on the Power System operation, if certain minimum standards for their installation, placement and control are not satisfied. For DG to have a positive effect, it must at least be suitably “coordinated” with the system operating philosophy and feeder design. Specifically, some addressing issues, related to voltage regulation, voltage flicker, harmonic distortion, islanding, grounding compatibility, overcurrent protection, capacity limits, reliability and other factors, may arise. The larger the aggregate DG capacity on a circuit relative to the feeder capacity and demand is, the more critical the “coordination” with these factors turns to be. The growing penetration of DG has led researchers to investigate a method, which identifies the optimum allocation and sizing of DG units. The issues that have to be taken into account, during the investigation process, are both technical and economical. The desired optimization, because of its multi-objectivity, is not easily achieved by using one of the widely used conventional optimization methods. The solution of the problem becomes even more difficult if it is considered that the system is no longer static, although it has never had a completely static behavior, since the loads are continuously changing. However, because of the nature of DG, which is largely implemented by using renewable energy resources, the system becomes extremely dynamic, since the calculations are not based neither on fixed loads, but unfortunately nor on specific available power generation. Consequently, for the distribution network to accommodate a significant DG penetration, two main stages should be preceded. The first one is to utilize the network thoroughly, through an optimal allocation of DG units. In this field many scientific papers have been published, trying to find a method in order to determine the maximum DG penetration with the most advantageous distribution in the examined networks. The second one is the change of the network structure from a passive to an active form, appropriately designed, by taking into account all the relevant parameters and involving, with an even increasing pace, real-time control systems, which will undertake the integration of DG units to its active control design. According to the first stage, careful planning is required in order to maximize the DG penetration in a power distribution network, as an arbitrary DG connection results in significant reduction of the overall DG penetration. This limitation is attributed by the term “network sterilisation” and occurs when DG units are connected to buses more “sensitive” to power injections. These are, for example, buses where the voltage or short circuit power are directly and to a much greater extent affected by power injections, compared to other buses of the network. Hence, the research on the optimal allocation concerning the placement and sizing of injected DG power, must be thorough and extensive and it employs several research groups as it is described in the broad literature review conducted under this PhD thesis. The result of this literature investigation was the isolation, for further study, of a group of papers, that use a calculation method based on a linear approach of the problem and the objective and technical parameters of which are identical to those of this thesis. A number of main technical parameters related to the problem of DG penetration in Greek distribution networks have been analyzed before the aforementioned investigation. These parameters have been taken into account in the forthcoming investigation and are: transformer’s capacity, power lines thermal constraint, short-circuit level, voltage variation and energy resource and customer initiatives constraint. The structure of a real Medium Voltage (MV) network has then been described and its current operating condition without the DG penetration as well as its respective condition with certain DG units connected has been analyzed. Since the operating condition, with DG penetration, has not proved to be technically acceptable, two alternative network reconfigurations have been proposed in order to solve the arising problems. Furthermore, an already from the literature known linear optimization method, suitably modified and extended in order to face the disadvantages that this method presents in practical applications, was applied in the aforementioned MV network. During the investigation aiming at the general application of this method and despite the efforts to improve it, its weaknesses concerning the effective determination of the optimal DG allocation came to the fore, together with some useful conclusions, as a basis for the development of a new method specifying the optimum-maximum DG penetration in real MV networks. In particular, it has been concluded that the development of a method, independent from simplifications, providing a reliable solution for every type of distribution network, demanding an acceptable computational load and providing for the minimum possible involvement of the user in the result, has been necessary. The method finally proposed in the context of this PhD thesis is an approach of a fully analytical method, which determines the optimal allocation of the maximum DG penetration in a MV network and has the characteristics listed previously as prerequisites, as its application in real networks and the simultaneous confirmation of its results by using a commercial software package has already demonstrated. This method, like any other analytical method, in full exposition leads to very reliable results, but it presents the disadvantage of the significant increase of the required computational load, sometimes to such an extent, that it is not feasible to find the desired optimal solution. This is due to the fact that every fully analytical method aims at a detailed examination of all possible solutions, when used in an optimization problem. That is the reason why this thesis searched for reliable criteria, enabling the omission of the analytical examination of the largest number of these possible solutions when it is obvious that these solutions could not be the optimum ones. So, only the most possible solutions are examined in detail, one of these solutions is chosen as the finally optimum and a procedure verifying the accuracy of this choice follows. With the proposed methodology a significant acceleration of the fully analytical optimization method has been achieved, in such a way that the determination of the optimal solution in a reasonable time and simultaneously the reliability of the method and the result have been obtained.

Η Κατανεμημένη Παραγωγή (ΚΠ), της οποίας ένας πρόχειρος ορισμός είναι η «ηλεκτροπαραγωγή μικρής κλίμακας», είναι μια σχετικά νέα έννοια στο χώρο των Συστημάτων Ηλεκτρικής Ενέργειας και την αγορά Ηλεκτρικής Ενέργειας, αν και ως σκεπτικό και αντίληψη δεν είναι καθόλου νέα. Την τελευταία δεκαετία, οι τεχνολογικές καινοτομίες και το μεταβαλλόμενο οικονομικό και κανονιστικό περιβάλλον οδήγησαν στην ανανέωση του ενδιαφέροντος για την ΚΠ. Η εισαγωγή διάσπαρτων πηγών παραγωγής στο σύστημα διανομής ηλεκτρικής ενέργειας επιδρά σε ορισμένες περιπτώσεις δυσμενώς στις λειτουργίες του, αν δεν ικανοποιούνται ορισμένοι βασικοί κανόνες και πρότυπα σχετικά με την χωροθέτηση, την εγκατάσταση και τον έλεγχο τους. Για να έχει η διείσδυση ΚΠ θετικές συνέπειες, πρέπει να είναι τουλάχιστον κατάλληλα εναρμονισμένη με τη φιλοσοφία λειτουργίας και τον σχεδιασμό του συνολικού συστήματος στο οποίο αυτή συνδέεται. Συγκεκριμένα προκύπτουν ζητήματα που σχετίζονται με τη ρύθμιση και την ταχεία αυξομείωση της τάσης, την εμφάνιση ανεπιθύμητων αρμονικών, το φαινόμενο της νησιδοποίησης, θέματα γειώσεων και προστασίας από υπερεντάσεις, υπέρβαση ορίων ισχύος, αξιοπιστία και πολλούς άλλους παράγοντες. Όσο μεγαλύτερη είναι η συνολική ισχύς της ΚΠ σε ένα δίκτυο, σε σχέση και με το μέγιστο φορτίο του, τόσο πιο κρίσιμη είναι η επίδραση των παραπάνω ζητημάτων στη συνολική λειτουργία του. Η συνεχής αύξηση της διείσδυσης ΚΠ είχε ως άμεσο επακόλουθο να στραφεί το ενδιαφέρον των ερευνητών προς την αναζήτηση μιας μεθόδου, που θα προσδιορίζει τη βέλτιστη, σε ότι αφορά τη θέση και την ισχύ, κατανομή της κατά τη σύνδεσή της στο δίκτυο ηλεκτρικής ενέργειας. Τα ζητήματα που πρέπει να ληφθούν υπόψη κατά τη διερεύνηση του θέματος είναι τόσο τεχνικής όσο και οικονομικής φύσης. Η βελτιστοποίηση που επιδιώκεται, λόγω της πολυ-παραμετρικότητάς της, δεν είναι εύκολο να επιτευχθεί χρησιμοποιώντας μια εκ των ευρέως χρησιμοποιούμενων συμβατικών μεθόδων. Το πρόβλημα δυσκολεύει αν αναλογιστεί κανείς ότι το σύστημα δεν είναι πλέον στατικό, παρότι ποτέ δεν είχε πλήρως στατική συμπεριφορά, αφού τα φορτία συνεχώς μεταβάλλονται. Εξαιτίας όμως της φύσης της ΚΠ, που σε μεγάλο βαθμό υλοποιείται με ανανεώσιμες πηγές ενέργειας, αυτό γίνεται πλέον εξαιρετικά δυναμικό, δεδομένου ότι οι υπολογισμοί δεν βασίζονται ούτε σε δεδομένα φορτία, αλλά δυστυχώς ούτε και σε δεδομένη διαθέσιμη ισχύ παραγωγής. Κατά συνέπεια, για να υποδεχθεί το δίκτυο διανομής ηλεκτρικής ενέργειας μια σημαντική διείσδυση ισχύος ΚΠ, θα πρέπει να προηγηθούν δύο βασικά στάδια. Το πρώτο είναι η πλήρης αξιοποίηση του υφισταμένου δικτύου, μέσω της βέλτιστης κατανομής ΚΠ σε αυτό. Σ’ αυτή την κατεύθυνση έχουν δημοσιευθεί πολλές επιστημονικές εργασίες, που προσπαθούν να εντοπίσουν μια μέθοδο που να προσδιορίζει τη μέγιστη διείσδυση ΚΠ με την πλεονεκτικότερη κατανομή της στο δίκτυο διανομής που εξετάζουν. Το δεύτερο είναι η μετάβαση του δικτύου αυτού από την παθητική δομή που έχει σε μια ενεργή, που θα πρέπει να σχεδιαστεί κατάλληλα, λαμβάνοντας υπόψη όλες τις σχετικές παραμέτρους, ενώ ταυτόχρονα θα εμπλέκει, με συνεχώς αυξανόμενο ρυθμό, συστήματα ελέγχου πραγματικού χρόνου, που θα αναλάβουν την ενσωμάτωση της ΚΠ στο σχεδιασμό του ελέγχου του. Σε ότι αφορά το πρώτο στάδιο και τη μεγιστοποίηση της δυνατότητας ενός δικτύου να ενσωματώσει την ΚΠ, απαιτείται προσεκτικός σχεδιασμός. Η σύνδεση της παραγωγής σε τυχαίες θέσεις έχει σαν αποτέλεσμα το σημαντικό περιορισμό της συνολικής διείσδυσης της ΚΠ σε ολόκληρο ή τμήμα του δικτύου. Ο περιορισμός αυτός περιγράφεται με τον όρο «network sterilisation» («στραγγαλισμός» της δυνατότητας σύνδεσης νέων πηγών ΚΠ στο δίκτυο). Ο στραγγαλισμός αυτός επέρχεται όταν οι μονάδες ΚΠ συνδέονται σε ζυγούς που είναι πιο «ευαίσθητοι» σε εγχύσεις ισχύος. Τέτοιοι ζυγοί είναι π.χ. εκείνοι που η τάση ή η ισχύς βραχυκύκλωσης επηρεάζονται άμεσα και σε πολύ μεγαλύτερο βαθμό από τις εγχύσεις ισχύος, σε σχέση με άλλους ζυγούς του ίδιου δικτύου. Γι’ αυτό και η έρευνα γύρω από τη βέλτιστη κατανομή, ως προς τη θέση αλλά και το μέγεθος της εγχεόμενης ισχύος από ΚΠ, πρέπει να είναι προσεκτική, εκτενής και απασχολεί αρκετές ερευνητικές ομάδες όπως περιγράφεται με την ευρεία βιβλιογραφική ανασκόπηση που έγινε στα πλαίσια αυτής της διδακτορικής διατριβής (ΔΔ). Αποτέλεσμα της βιβλιογραφικής διερεύνησης ήταν να απομονωθεί προς περαιτέρω έρευνα μια ομάδα εργασιών, που κάνουν χρήση μιας μεθόδου υπολογισμού βασιζόμενης σε γραμμική προσέγγιση του προβλήματος και της οποίας ο στόχος αλλά και οι τεχνικές παράμετροι είναι ταυτόσημες με αυτές της παρούσας ΔΔ. Πριν την προαναφερθείσα διερεύνηση αναλύθηκαν ορισμένες κύριες τεχνικές παράμετροι που σχετίζονται με το πρόβλημα της διείσδυσης ΚΠ στα Ελληνικά δίκτυα διανομής, οι οποίες λήφθηκαν υπόψη στην διερεύνηση που ακολούθησε και είναι: η ονομαστική ισχύς των μετασχηματιστών ισχύος, το θερμικό όριο των γραμμών, η ισχύς βραχυκύκλωσης, η διακύμανση της τάσης και ο περιορισμός των ενεργειακών πόρων και προτεραιοτήτων των καταναλωτών. Στη συνέχεια περιγράφηκε η δομή μιας ρεαλιστικής γραμμής ΜΤ, αναλύθηκε η υφιστάμενη κατάστασή της χωρίς τη διείσδυση ΚΠ, καθώς και η εικόνα της όταν συνδέονται συγκεκριμένες μονάδες ΚΠ, που έχουν ήδη αδειοδοτηθεί από τους αρμόδιους φορείς για συγκεκριμένες θέσεις διείσδυσης. Δεδομένου ότι η υφιστάμενη κατάσταση, με την παρουσία της ΚΠ, δεν προέκυψε από την ανάλυση ως τεχνικά αποδεκτή, προτάθηκαν δύο εναλλακτικές λύσεις τροποποίησης της δομής της εξεταζόμενης γραμμής, που επιλύουν τα αναφυόμενα προβλήματα. Στη συνέχεια εφαρμόστηκε στην προαναφερθείσα γραμμή ΜΤ μια ήδη γνωστή από τη βιβλιογραφία γραμμική μέθοδος βελτιστοποίησης, με κατάλληλες τροποποιήσεις και επεκτάσεις, ώστε να αντιμετωπιστούν τα μειονεκτήματα που εντοπίστηκε ότι εμφάνιζε σε πρακτικές εφαρμογές. Κατά τη διερεύνηση, με στόχο τη γενική εφαρμογή, της μεθόδου που προαναφέρθηκε και παρά τις προσπάθειες βελτίωσής της στα πλαίσια αυτής της ΔΔ, προέκυψαν οι αδυναμίες της για αποτελεσματική εύρεση της βέλτιστης κατανομής ΚΠ, αλλά και χρήσιμα συμπεράσματα, ως βάση για την ανάπτυξη μιας νέας μεθόδου εύρεσης της βέλτιστης, ως προς τις θέσεις σύνδεσης και τα επίπεδα ισχύος, διείσδυσης ΚΠ σε ρεαλιστικά δίκτυα ΜΤ. Συγκεκριμένα προέκυψε η ανάγκη για ανάπτυξη μιας μεθόδου που να μην εξαρτάται από απλουστευτικές παραδοχές και η οποία να προσφέρει αξιόπιστη λύση για κάθε μορφής δίκτυο διανομής, με έναν αποδεκτό υπολογιστικό φόρτο και όσο το δυνατό μικρότερη εμπλοκή του χειριστή της στο αποτέλεσμα. Η μέθοδος που προτάθηκε τελικά από την παρούσα ΔΔ αποτελεί προσέγγιση μιας πλήρως αναλυτικής μεθόδου εύρεσης της βέλτιστης κατανομής για μέγιστη διείσδυση ΚΠ σε ένα δίκτυο ΜΤ και διαθέτει τα χαρακτηριστικά που αναφέρθηκαν ως προαπαιτούμενα στην προηγούμενη παράγραφο, όπως απέδειξε η εφαρμογή της σε ρεαλιστικά δίκτυα και η ταυτόχρονη διασταύρωση των αποτελεσμάτων της με χρήση εμπορικού πακέτου λογισμικού. Η μέθοδος αυτή, όπως και οποιαδήποτε αναλυτική μέθοδος, σε πλήρη ανάπτυξη οδηγεί σε εξαιρετικά αξιόπιστα αποτελέσματα, εμφανίζει όμως το σημαντικό μειονέκτημα να αυξάνει σημαντικά τον απαιτούμενο υπολογιστικό όγκο, μερικές φορές σε τέτοιο βαθμό που να κάνει μη εφικτή την εύρεση της επιδιωκόμενης βέλτιστης λύσης. Αυτό συμβαίνει διότι κάθε πλήρως αναλυτική μέθοδος στοχεύει στη λεπτομερή εξέταση του συνόλου των δυνατών λύσεων σε ένα πρόβλημα βελτιστοποίησης. Η παρούσα ΔΔ αναζήτησε για το λόγο αυτό αξιόπιστα κριτήρια, που να επιτρέπουν την παράληψη της αναλυτικής εξέτασης του μεγαλύτερου αριθμού των δυνατών αυτών λύσεων όταν είναι προφανές ότι αυτές δεν είναι οι βέλτιστες. Με τον τρόπο αυτό εξετάζονται αναλυτικά μόνο οι πιο πιθανές λύσεις, επιλέγεται μια από αυτές ως η τελικά βέλτιστη και ακολουθεί μια διαδικασία επαλήθευσης της επιλογής αυτής. Με την προτεινόμενη μεθοδολογία επιτεύχθηκε σημαντική επιτάχυνση της πλήρως αναλυτικής μεθόδου βελτιστοποίησης, κατά τρόπο που να εξασφαλίζεται η εύρεση της βέλτιστης λύσης σε εύλογο χρονικό διάστημα και παράλληλα η αξιοπιστία της μεθόδου και του αποτελέσματος.