Mehdi Zeraati

Dissertation Title: Voltage regulation in distribution networks with high PV penetration using active and reactive power management

Abstract: The voltage rise problem in low voltage distribution networks (LVDN) with high penetration of photovoltaic (PV) resources is one of the most important challenges in the development of these renewable resources. First, the battery energy storage (BES) systems are used in order to solve the voltage rise during the peak PV generation as well as the voltage drop while meeting the peak load. A coordinated control strategy is proposed to regulate the charge/discharge of BESs using a combination of the local droop-based control method and a distributed control scheme which ensures the voltages of feeder remain within allowed limits. The weighted consensus algorithm determines the BESs participation in voltage regulation in terms of their installed capacity whereas the dynamic consensus algorithm modifies the BESs performance in terms of their state of charge (SoC) to prevent the excessive saturation or depletion of batteries. Then, a combined method using the battery energy management of plug-in electric vehicles (PEVs) and the active power curtailment (APC) of PV arrays is proposed to regulate voltage in LVDNs with high penetration level of PV resources. A distributed control strategy composed of two consensus algorithms is used to reach an effective utilization of limited storage capacity of PEV battery considering its power/capacity and SoC. A consensus control algorithm is also developed to fairly share the required power curtailment among PVs during overvoltage periods. Third, the potential capability of residential PV inverters is investigated to develop a distributed reactive power compensation scheme for voltage regulation in three-phase four-wire unbalanced LVDNs. For this purpose, an effective method is proposed by means of single-phase PV inverters arbitrarily connected among different phases. The aims are improving voltage profile along the feeder and reducing the voltage unbalances. The PV inverters are connected in such a way that they form distributed delta and wye configurations to compensate the negative and zero sequence components of voltage, respectively and to regulate voltage within the allowed limits as well.

عنوان رساله: تنظیم ولتاژ شبکه های توزیع با ضریب نفوذ بالای منابع فتوولتائیک توسط مدیریت توان اکتیو و راکتیو

چکیده: یکی از مؤثرترین راه‌ها برای تأمین تقاضای روزافزون انرژی الکتریکی و جلوگیری از انتشار گازهای گلخانه‌ای، قائل شدن سهم بیشتری از ظرفیت تولیدی آینده برای منابع انرژی تجدیدپذیر و پاک می‌باشد. در سال‌های اخیر، به‌علت کاهش پیوسته قیمت پانل‌های فتوولتائیک (PV) از یک طرف، و افزایش بازده و بهره‌وری آنها از سوی دیگر، فناوری PV بالاترین نرخ رشد نصب را در میان منابع تجدیدپذیر داشته است. این منابع در شبکه‌های توزیع ولتاژ کم (LV) به شکل سیستم‌های PV مسکونی و پشت‌بامی اتصال پیدا کرده و به‌عنوان گزینه اصلی توسعه منابع تولید پراکنده در این شبکه‌ها محسوب می‌شوند. با افزایش سطح نفوذ منابع فتوولتائیک در شبکه‌های LV ، چالش‌های جدی در بهره‌برداری از این شبکه‌ها به‌وجود آمده است. یکی از مهم‌ترین چالش‌های ناشی از رشد ضریب نفوذ منابع PV در شبکه‌های توزیع LV ، مسئله افزایش ولتاژ در طول فیدرهای توزیع به‌دلیل جریان معکوس توان می‌باشد. رفع این مشکل و افزایش ظرفیت‌پذیری شبکه‌های توزیع برای نصب منابع PV ، نیازمند به‌کارگیری و پیاده‌سازی روش‌های کنترل مناسب از جانب بهره‌برداران سیستم و/ یا مالکین پانل‌های فتوولتائیک می‌باشد. 

امروزه در بستر شبکه‌های هوشمند، استفاده از روش‌های کنترلی توزیع‌شده در سیستم‌های قدرت و برای کاربردهای مختلف جایگاه مناسبی پیدا کرده است. از طرف دیگر، فناوری‌های نوین شبکه‌های هوشمند نظیر ذخیره‌سازهای انرژی پراکنده و طرح‌های پاسخ‌گویی بار می‌توانند کاربرد طرح‌های کنترل توزیع‌شده و هماهنگ را به میزان زیادی افزایش دهند. به‌این ترتیب، هدف اصلی این رساله ارائه روش‌های کنترل توزیع‌شده مناسب جهت بهبود تنظیم ولتاژ در شبکه‌های توزیع LV به‌ویژه شبکه‌های سه‌فاز چهارسیمه، با ضریب نفوذ بالای منابع PV است که در بستر شبکه هوشمند از امکانات ذخیره‌سازهای پراکنده و توانمندی اینورترهای منابع استفاده کرده و ضمن حل مشکل ولتاژ در بهره‌برداری این شبکه‌ها، امکان افزایش ظرفیت پذیرش منابع PV در شبکه توزیع LV را فراهم می‌نمایند.

در ابتدا، یک روش تنظیم ولتاژ مبتنی بر ترکیب رویکردهای کنترل محلی و توزیع‌شده با استفاده از سیستم‌های ذخیره‌ساز انرژی باتری پراکنده نصب‌شده در کنار پانل‌های PV پشت‌بامی در شبکه‌های توزیع LV مسکونی ارائه می‌شود. به‌علاوه، محدودیت‌های فنی سیستم‌های ذخیره‌ساز باتری نظیر توان/ظرفیت ذخیره‌سازی و وضعیت شارژ (SoC) باتری‌ها در الگوریتم کنترلی درنظرگرفته می‌شوند تا استفاده مؤثر از حداکثر قابلیت این تجهیزات در اجرای فرآیند تنظیم ولتاژ میسّر شود. سپس، با هدف استفاده از ظرفیت ذخیره‌سازی انرژی در باتری خودروهای الکتریکی (PEV) که به‌طور ثابت به شبکه توزیع متصل نیستند، روش قبلی تعمیم داده شده و طرحی نوین به‌منظور زمان‌بندی شارژ/دشارژ باتری خودروها ارائه می‌شود. به‌علاوه، به‌دلیل احتمال کمبود ظرفیت ذخیره‌سازی باتری‌های PEV در دسترس در شبکه، از یک روش محدود کردن توان تزریقی منصفانه نیز به‌عنوان روش مکمل در کنار آن استفاده می‌شود. در نهایت، مسئله تنظیم ولتاژ در شبکه‌های توزیع LV با استفاده از قابلیت کنترل توان راکتیو اینورترهای PV مورد بررسی قرار گرفته و یک روش جدید برای تنظیم ولتاژ در این شبکه‌ها پیشنهاد می‌شود. در این مرحله، مهم‌ترین مفاهیم مورد نیاز در به‌کارگیری روش کنترل توان راکتیو در شبکه‌های نامتعادل سه‌فاز چهارسیمه مطرح و سپس یک الگوریتم کنترلی توزیع‌شده به‌منظور هماهنگی اینورترهای PV در دسترس برای غلبه بر این چالش‌ها با هدف بهبود کیفیت ولتاژ پیاده‌سازی می‌شود.