Energy management modeling for multiple microgrids in active distribution systems

Abstract

Resumo: Este estudo aborda a modelagem de gerenciamento de energia em sistemas ativos de distribuição com múltiplas microrredes. Duas contribuições principais podem ser destacadas neste trabalho: o desenvolvimento de uma metodologia para regulação de tensão em alimentador utilizando ajuste de carga em multimicrorredes e o desenvolvimento de uma metodologia para modelar detalhadamente a otimização da operação do dia seguinte de microrredes. A pesquisa foi conduzida de forma a modelar primeiramente uma única microrrede com objetivo de otimizar a operação de seus recursos distribuídos de energia, para na sequência modelar um alimentador de distribuição contendo diversas destas microrredes. Embora existam diversos trabalhos publicados em literatura sobre o tema otimização de operação de microrredes, havia algumas lacunas de pesquisa ainda não preenchidas, como a modelagem de ilhamento programado, deslocamento de cargas de ciclo contínuo, corte de geração fotovoltaica, e modelagem detalhada do sistema de armazenamento de energia (SAE), as quais estão abordadas neste trabalho. A pesquisa foi realizada com a modelagem de uma microrrede contendo um sistema fotovoltaico, um SAE por baterias e cargas controláveis, contando ainda com a possibilidade de comprar e vender energia para o operador do sistema de distribuição e para outras microrredes. A partir do modelo matemático, a programação linear inteira mista foi utilizada para a resolução do problema de otimização com objetivo de minimizar os custos de operação da microrrede. Um conjunto de simulações foi realizado utilizando a Tarifa Branca brasileira para compor o modelo de mercado. Além de validar modelo matemático proposto, os resultados mostraram a relevância do SAE na redução de custos de operação da microrrede e deram origem a uma publicação em revista científica. Adicionalmente, foi realizado um estudo para analisar o impacto das microrredes no desempenho da operação da rede de distribuição. Esse estudo resultou no desenvolvimento de uma metodologia para regulação trifásica de tensão em alimentadores por meio de ajuste de cargas em multimicrorredes. Neste ajuste, a carga da multimicrorrede vista pelo sistema de distribuição pode ser positiva ou negativa, o que corresponde ao modo carga de operação da multimicrorrede ou ao modo fonte, respectivamente. Tomando como base o modelo IEEE de 13 barras, a metodologia foi avaliada em um alimentador trifásico de distribuição altamente carregado e desequilibrado contendo quatro microrredes agrupadas como multimicrorredes. A plataforma de simulação proposta neste trabalho utiliza um algoritmo de regulação de tensão que toma decisões baseadas nos resultados do fluxo de potência trifásico do alimentador. Os resultados de simulação validaram a metodologia proposta, mostraram a interação que pode haver entre o operador do sistema de distribuição e o operador da multimicrorrede, evidenciando assim sua viabilidade em implementações práticas. Os resultados também evidenciaram de forma quantitativa o impacto das microrredes no perfil de tensão do alimentador e como elas podem contribuir para melhorar este perfil na prática. Finalmente, os resultados destacam alguns indicadores de performance de operação do alimentador sob teste, os quais carregam informações que futuramente podem ser endereçadas na regulamentação sobre a prestação de serviços ancilares de regulação de tensão por multimicrorredes.

Abstract: This study addresses the modeling of energy management in active distribution systems with multiple microgrids. Two main contributions can be emphasized in this work: a methodology for voltage regulation in a feeder using load adjustment in multi-microgrids (MMG) and a methodology to model, in detail, the problem of optimal day-ahead scheduling of microgrids. The research was conducted to first model a single microgrid to optimize the operation of its distributed energy resources (DER), and then model a distribution feeder containing a number of these microgrids. Although there are several works published in the literature on the topic of optimal scheduling of microgrids, some research gaps in the science have not yet been filled, such as the modeling of scheduled intentional islanding, continuous cycle shiftable loads, photovoltaic (PV) generation curtailment, and the modeling of a battery energy storage system (BESS) in detail, which are addressed in this work. This research was carried out with the modeling of a microgrid with a PV system, BESS, and controllable loads as DERs, with the possibility of buying and selling energy to the distribution system operator (DSO) and other microgrids. From the mathematical model, mixed-integer linear programming (MILP) was used to solve the optimization problem to minimize microgrid operating costs. Simulations were performed using the Brazilian White Tariff to compose the market model. In addition to validating the proposed mathematical model, the results show the relevance of BESS in reducing microgrid operating costs and gave rise to a publication in a scientific journal. Additionally, a study was carried out to analyze the impact of microgrids on the performance of the distribution network operation, which resulted in the development of a methodology for three-phase voltage regulation in feeders through load adjustment in MMG. In this methodology, the multi-microgrid load seen by the distribution system can be positive or negative, which corresponds to the MMG load mode or supply mode of operation, respectively. Based on the IEEE 13-bus model, this methodology was performed in a highly loaded and unbalanced three-phase distribution feeder containing four microgrids grouped as MMG. The simulation platform presented in this work uses a voltage regulation algorithm that makes decisions based on the results of a three-phase power flow of the feeder. The simulation results validate the proposed methodology and show the interaction between the DSO and the MMG operator, thus evidencing its feasibility in practical implementations. Results also show quantitatively the impact of microgrids on the voltage profile of the feeder and how they can contribute to improving this profile in practice. Finally, the results highlight some operating performance indicators of the feeder under test, which carry information that in the future may be addressed in a regulatory framework on the ancillary service provision of voltage regulation by MMGs.