Planning of active distribution systems operations with batteries and renewable energy sources

Abstract

Resumo: A operação das redes de distribuição mudou nos últimos anos devido à inserção de recursos energéticos distribuídos. Esses sistemas ativos consistem em sistemas de geração, como sistemas fotovoltaicos, ou mesmo sistemas de armazenamento, como baterias. Uma vez que as redes de distribuição não foram projetadas considerando a presença de sistemas de geração e armazenamento, é necessário verificar o impacto desses elementos quando conectados ao sistema elétrico em diferentes níveis de penetração. Para avaliar os impactos desses novos elementos, foram realizados estudos de fluxo de potência, permitindo compreender o comportamento da rede elétrica distribuída considerando um estado operacional definido. Para essa análise, foi utilizada a ferramenta de software OpenDSS, sendo considerados diferentes níveis de penetração, calculados de acordo com dois critérios diferentes: um baseado na relação da potência instalada da carga e da geração e outros baseado na capacidade de suporte do alimentador. Para realizar o planejamento da rede de distribuição, considerando o horizonte de um dia à frente, foi proposto o aprimoramento do fluxo ótimo de energia por períodos múltiplos, também chamado de fluxo ótimo de energia dinâmico. A formulação clássica ideal de fluxo de energia multiperíodo é normalmente usada para resolver o despacho de energia e o gerenciamento do lado da demanda. Portanto, foi necessário propor modelagem estendida, na qual foi possível inserir o modelo correspondente ao funcionamento da bateria. Esse novo fluxo de energia ideal de vários períodos tem o objetivo de minimizar as perdas de energia elétrica e os custos operacionais do sistema e da bateria. As simulações realizadas compreenderam duas etapas: na primeira, o impacto dos elementos ativos nas redes de distribuição foi avaliado por simulações de fluxo de potência com diferentes níveis de penetração nos sistemas de geração, e a segunda consistiu na simulação do fluxo de potência ideal. prorrogado por vários períodos para avaliar o planejamento da operação da rede e do sistema de baterias de acordo com as previsões de geração e demanda para o dia seguinte. Nos dois casos, a rede de distribuição foi modelada considerando a presença de bancos de capacitores e também a operação de reguladores de tensão, uma vez que esses dispositivos já existem na rede de distribuição, mesmo antes da inserção dos elementos ativos. Dessa forma, os resultados encontrados evidenciaram os impactos da inserção de recursos energéticos distribuídos nas redes de distribuição, principalmente quando os níveis de penetração são maiores, reduzindo, neste caso, as perdas de energia do sistema. Em relação ao planejamento da operação do sistema, verificou-se que as descargas das baterias ocorrem durante o pico da carga, a propósito, que os períodos de carregamento variam de acordo com a disponibilidade de geração fotovoltaica. As abordagens propostas destacam a possibilidade de avaliar e planejar a operação ideal dos sistemas de distribuição existentes, considerando a inserção de novos elementos. Palavras-chave: Fluxo de Potência Ótimo Multi-Período. Fluxo de Potência. Sistemas Ativos de Distribuição. Baterias. Sistemas Fotovoltaicos. Níveis de Penetração.

Abstract: The operation of the distribution networks has changed over the last years due to the insertion of distributed energy resources. These active systems consist of generation systems, such as photovoltaic systems, or even storage systems, such as batteries. Since distribution networks were not designed considering the presence of generation and storage systems, it is necessary to verify the impact of these elements when connected to the electrical system at different penetration levels. In order to evaluate the impacts of these new elements, power flow studies were performed, allowing to undestand the behavior of the electric distributed network considering a defined operating state. For this analysis, the OpenDSS software tool was used, being considered different penetration levels calculated according to two different criteria: one based on the relation of the installed power of the load and the generation, and others based on the feeder supportability. In order to carry out the planning of the distribution network, considering the horizon of a day ahead, it was proposed the enhancement of multi-period optimum power flow, also called dynamic optimum power flow. The classical multi-period optimal power flow formulation is normally used to solve energy dispatch and demand-side management. Therefore, it was necessary to propose an extended modeling, in which it was possible to insert the model corresponding to the operation of the battery. This new multi-period optimal power flow has the objective to minimize the electrical power losses and system and battery operating costs. The simulations carried out comprised two stages: in the first one, the impact of the active elements in distribution networks was evaluated by power flow simulations with different levels of penetration of generation systems, and the second one consisted on the simulation of the optimal power flow multi-period extended to evaluate the planning of the network operation and the battery system according to the forecasts of generation and demand for the day ahead. In both cases, the distribution system was modeled considering the presence of capacitor banks and also the operation of voltage regulators, since these devices already exist in the distribution system, even before the insertion of the active elements. In this way, the results found evidenced the impacts of the insertion of distributed energy resources in the distribution networks mainly when the penetration levels are higher, reducing, in this case, the power losses of the system. Regarding the planning of system operation, it was verified that the battery discharges happen during the peak of the load, by the way, that the charging periods vary according to the availability of photovoltaic generation. The proposed approaches highlight the possibility to evaluate and plan the optimal operation of existing distribution systems considering the insertion of new elements. Keywords: Multi-period Optimum Power Flow. Batteries. Photovoltaic Systems. Penetration Levels.