New approaches to distributed energy resources and microgrid integration into active distribution systems

Abstract

Resumo: Com o avanço da modernização das redes de distribuição, tem se tornado um desafio cada vez maior para as distribuidoras a realização da operação segura e eficaz da rede. Esse desafio justifica-se pela inclusão dos recursos energéticos distribuídos (DER), em uma rede que foi concebida com o objetivo de entregar energia ao consumidor final, sendo um elemento passivo e que agora passa a se tornar ativo. Uma forma de minimizar os impactos desses novos agentes na rede consiste no provisionamento de serviços ancilares, passando a contribuir para a qualidade da operação da rede. O fluxo de potência ótimo é um método de otimização utilizado para planejar a operação da rede de distribuição, no qual, os recursos energéticos distribuídos podem ser modelados e o provisionamento de serviços ancilares pode ser considerado. Dessa forma o objetivo do trabalho consiste em compreender as alterações que vem ocorrendo nas redes de distribuição com a entrada dos DERs, avaliando seus impactos, bem como a proposição da realização de serviços ancilares. Ademais, objetiva-se avaliar a entrada de novas tecnologias na rede de distribuição, em consonância com os elementos tradicionais já existentes. Além do provisionamento de serviços ancilares, busca-se também otimização da operação desse novo cenário de operação, considerando um Fluxo de Potência Ótimo Multiperíodo (MPOPF) com a inserção de geração distribuída, sistemas de armazenamento de energia, microrredes e veículos elétricos na rede de distribuição. Este MPOPF inclui a prestação de serviços auxiliares pelos inversores associados aos equipamentos ligados à rede principal, realizando por exemplo o despacho de reativos para suporte de tensão. Na formulação, toda a rede é modelada, considerando a colocação de equipamentos clássicos como regulador de tensão e bancos de capacitores, além de tecnologias modernas como equipamentos com eletrônica de potência, além de inversores de quatro quadrantes. O MPOPF foi simulado para diversos cenários considerando um alimentador de teste de 90 barras e uma rede de distribuição real de Curitiba – Brasil contendo uma microrrede no parque Barigui. A partir dos resultados, o MPOPF mostrou-se altamente robusto, sendo capaz de simular a rede com todos os equipamentos conectados simultaneamente, realizando o despacho ótimo de potência ativa e reativa, além de permitir a operação de serviços ancilares como suporte de tensão, peak-shaving e gestão do lado da demanda. Ademais foi desenvolvida uma metodologia hierárquica para integração do despacho ótimo da microrrede com o cálculo do despacho ótimo da rede como um todo. Nesse processo a abordagem mestre-escravo é considerada com uma realimentação entre as metodologias até que se atinja a operação ótima da rede considerando a integração de múltiplos DERs. Por fim, visando avaliar a aplicabilidade de metodologia hierárquica, uma abordagem de um gêmeo-digital da microrrede do parque Barigui foi realizada com simulação em tempo-real. Nessa abordagem, além da simulação da operação da microrrede considerando diferentes cenários, foi modelada também a comunicação com o SCADA da distribuidora, usando o protocolo de comunicação IEC 60870-5-104. Cada uma das abordagens utilizadas apresenta características próprias de modo que representam diferentes pontos de vista para o planejamento e operação das redes ativas de distribuição.

Abstract: With the advancement of modernization in distribution networks, it has become an increasingly challenging task for distributors to ensure the safe and efficient operation of the grid. This challenge is justified by the integration of Distributed Energy Resources (DERs) into a network that was originally designed to deliver energy to the end consumer as a passive element, now transitioning to an active one. One way to minimize the impacts of these new agents on the grid is through the provision of ancillary services, thus contributing to the quality of grid operation. Optimal power flow is an optimization method used to plan the operation of the distribution network, where distributed energy resources can be modeled, and the provision of ancillary services can be considered. Therefore, the objective of this work is to understand the changes occurring in distribution networks with the introduction of DERs, assessing their impacts, and proposing the provision of ancillary services. Additionally, the aim is to evaluate the integration of new technologies into the distribution network in line with existing traditional elements. In addition to the provision of ancillary services, the optimization of this new operational scenario is also sought, considering a Multiperiod Optimal Power Flow (MPOPF) with the integration of distributed generation, energy storage systems, microgrids, and electric vehicles into the distribution network. This MPOPF includes the provision of ancillary services by inverters associated with equipment connected to the main grid, performing tasks such as reactive power dispatch for voltage support. In the formulation, the entire network is modeled, considering the placement of classical equipment such as voltage regulators and capacitor banks, as well as modern technologies such as power electronics equipment and four-quadrant inverters. The MPOPF was simulated for various scenarios considering a 90-bus test feeder and a real distribution network in Curitiba, Brazil, containing a microgrid in the Barigui Park. From the results, the MPOPF proved to be highly robust, capable of simulating the network with all connected equipment simultaneously, optimizing active and reactive power dispatch, and allowing the operation of ancillary services such as voltage support, peak-shaving, and demandside management. Furthermore, a hierarchical methodology was developed for integrating the optimal dispatch of the microgrid with the overall grid dispatch calculation. In this process, the master-slave approach is considered with feedback between the methodologies until optimal grid operation considering the integration of multiple DERs is achieved. Finally, to assess the applicability of the hierarchical methodology, a digital-twin approach of the Barigui Park microgrid was performed with real-time simulation. In this approach, in addition to simulating the microgrid operation considering different scenarios, communication with the utility's SCADA system was also modeled using the IEC 60870-5-104 communication protocol. Each of the approaches used presents its own characteristics, representing different perspectives for the planning and operation of active distribution networks.