Control of distributed energy resources and load tap changers to enhance the long-term voltage stability of transmission networks

Abstract

La estabilidad de tensión es la capacidad de un sistema eléctrico de potencia de mantener tensiones aceptables tras una perturbación. En redes de transporte, esta capacidad se ve comprometida a largo plazo cuando se suplen cargas altas y alejadas de los generadores. Una contramedida prometedora es aprovechar los recursos energéticos distribuidos (distributed energy resources o DER) de pequeña escala. Estos pueden reducir in situ la carga neta y, a la vez, acortar distancias entre la generación y el consumo.

La literatura presenta varios esquemas de control que aprovechan los DER para este fin, pero dichos esquemas suelen ser inapropiados para redes de transporte y para DER de pequeña escala. Esto se debe a que no coordinan esfuerzos entre redes de distribución y a que intercambian demasiada información con cada DER. Además, algunos esquemas ignoran interacciones eléctricas decisivas con otros reguladores de tensión ya instalados.

Esta tesis propone un esquema de control que busca mejorar, sin las deficiencias anteriores, la estabilidad de tensión a largo plazo de la red de transporte. El esquema establece una comunicación ligera con los DER de pequeña escala, les solicita que contribuyan con más o menos potencia según el transformador de subestación que los alimenta y, adicionalmente, los coordina con otro regulador: el cambiador de tomas en carga (load tap changer o LTC) de dicho transformador.

El esquema tiene una estructura jerárquica. A nivel de la red de transporte, un control predictivo basado en modelos acciona remotamente los LTC y les solicita potencia a las redes de distribución alimentadas por cada transformador; estas acciones logran mantener la estabilidad de tensión según un indicador numérico. A nivel de las redes de distribución, un coordinador traduce las solicitudes a una señal que es enviada por igual a todos los DER conectados aguas abajo. Por último, a nivel de cada DER, un controlador local traduce la señal a contribuciones de potencia activa o reactiva.

Las simulaciones muestran que este esquema coordina exitosamente los DER y los LTC, pidiéndole contribuciones distintas a cada red de distribución y sin agotar innecesariamente las reservas de potencia de los DER. Además, al aprovechar tanto un modelo de la red de transporte como mediciones de dicha red, el esquema se desempeña mejor que uno sin modelo y que utiliza mediciones puramente locales.Voltage stability refers to the ability of a power system to maintain acceptable voltages after being affected by a disturbance. This ability can be endangered in transmission networks that operate under high strain and show a large separation between generators and loads. One promising countermeasure is to take advantage of small-scale, possibly behind-the-meter Distributed Energy Resources (DERs), which can reduce the net load locally by modifying their active- and reactive-power generation or consumption.

The literature proposes various control schemes to enhance voltage stability with the help of DERs. However, these schemes tend to be inappropriate for transmission networks and small-scale DERs, as they do not coordinate efforts across distribution networks and exchange too much information with each DER. Furthermore, some schemes neglect important interactions between the DERs and other voltage regulators.

This thesis proposes a control scheme that enhances, while bridging the previous gap, the long-term voltage stability of transmission networks. The proposed scheme establishes a lightweight communication with the DERs, asks them to contribute power depending on the substation transformer that they are connected to, and coordinates them with another voltage regulator: the Load Tap Changer (LTC) of that transformer.

The proposed scheme has a hierarchical structure. At the transmission level, a Model Predictive Control (MPC) moves the LTCs and sends power requests to the distribution networks fed by each transformer. These actions maintain long-term voltage stability according to a numerical indicator. At the distribution level, a coordinator translates the power requests into a signal that is broadcast to all the DERs connected downstream. Finally, inside each DER, a local controller translates the signal into active- and reactive-power contributions.

Simulations show that the proposed scheme can successfully coordinate DERs and LTCs to enhance long-term voltage stability. It asks distribution networks for different power contributions and does not overuse the power reserves of the DERs. Moreover, since the MPC profits from both a transmission network model and transmission network measurements, it performs better than a model-free, purely local control.