| Abstract | Due to their positive impact on the environment, the decline in their price, and potential financial benefit for end-users in power systems, the share of renewable energy sources and other technologies with a low carbon footprint, including electric vehicles and heat pumps, is continuously growing, especially in distribution networks. Despite the benefits, the integration of distributed energy resources (DERs) is often uncoordinated, focusing only on the financial and environmental aspects and neglecting the potential technical challenges in planning and operating distribution networks. Distribution system operators (DSOs) and other policy-makers are becoming more aware of the potential problems caused by DERs, and prior to their connection to a network, they require detailed techno-economical analyses that will justify their integration but also ensure that the safe and reliable operation of a network will not be endangered.
This thesis identifies three main problems that aggravate the planning and operation of distribution networks: low observability and network data of insufficient correctness, the lack of tools and methods that enable complex and precise analyses of distribution networks, and the unused potential of end-users in contributing to the improvement of distribution network technical conditions.
The low observability of the distribution network is becoming less of a problem due to the installation of smart meters enabling monitoring of a network closer to real-time. Digitisation also enables the visualisation of network elements together with storing their technical attributes in tools and databases that rely on the geographic information system (GIS). Even though GIS data of a distribution network is a prerequisite for creating a mathematical model of a network that enables further analyses, they often contain different errors that prevent their use in the initial form. The thesis gives an overview of different approaches dealing with the lack of distribution network data and their low-observability problems. One of the approaches is creating and using synthetic benchmark distribution network models that are efficient in verifying tools and methods developed for different analyses and simulations. However, these models cannot be used in real-world analyses and for that reason, the focus is put on developing methods that remove the errors in a real-world distribution network GIS data set. No matter if analyses rely on benchmark or real-world networks, it is necessary to create the mathematical representation of a network, which becomes challenging in distribution and especially low voltage (LV) networks. Due to their specific configuration and other characteristics, some models of LV distribution networks can lead to the loss of accuracy but also to the loss of computational efficiency. The thesis presents a developed method for detecting and removing GIS errors in a data set representing real-world LV distribution network elements. Errors were detected based on the analysis of a large data set containing multiple LV networks. The method is automatised, making it easy to use but also to extend with new functionalities needed in the case of newly detected errors.
Due to the already mentioned specific characteristics, tools used and conclusions drawn from traditional power system analyses are not valid in the case of distribution networks. Therefore, there is a need to develop new tools and methods that will be used in distribution network simulations and analyses. The main focus of the thesis is put on two types of analyses - the analysis of power quality (PQ) disturbances and analyses based on optimal power flow (OPF) models. DERs, more precisely, their power electronic interface to a network, and non-linear loads already in a network are identified as the sources of deteriorating the values of voltage magnitude, voltage unbalance factor and total voltage harmonic distortion. The review of different approaches aimed at the PQ indicators improvement presents methods oriented on the often costly and complex utilisation of physical devices and activating the flexibility potential of end-users. Controllable and flexible loads in households, together with the DERs owned by end-users can contribute to mitigating different technical issues in the network. However, end-users are often distracted from providing flexibility services by the potential discomfort the request for changing electricity consumption causes. Therefore, the thesis presents several non-invasive approaches oriented toward maintaining the desired level of comfort during end-users participation in providing flexibility services for PQ improvement.
The exact formulation of OPF models is nonlinear and nonconvex, making the formulation unscalable, intractable, and computationally inefficient. Therefore, there are many approximation approaches for lowering the complexity of the OPF problem. The thesis is oriented on an overview of linearisation, relaxation, and approaches using machine learning algorithms for solving power system equations. However, all of these approaches can lead to the loss of accuracy, so the nonlinear OPF formulations, together with their implementation and potential application, are also presented. The thesis complements the review of OPF formulations with the nonlinear formulation of the three-phase OPF model extended with voltage unbalance and harmonic distortion constraints. |
| Abstract (croatian) | Zbog pozitivnog utjecaja na okoliš, pada cijene i potencijalne financijske isplativosti za krajnje korisnike u elektroenergetskom sustavu, udio obnovljivih izvora energije i drugih tehnologija s niskim ugljičnim otiskom, uključujući električna vozila i toplinske pumpe, kontinuirano raste, a posebice u distribucijskim mrežama. Unatoč prednostima, integracija distribuiranih izvora energije često je nekoordinirana, fokusirana samo na financijski i okolišni aspekt, a potencijalni tehnički izazov u planiranju i vođenju distribucijskih mreža su često zanemareni. Operatori distribucijskog sustava (ODS) i drugi kreatori politika postaju sve svjesniji potencijalnih problema uzrokovanih distribuiranim izvorima energije te prije njihove mrežne integracije zahtijevaju detaljne tehno-ekonomske analize koje će opravdati njihovu integraciju, ali i osigurati da siguran i pouzdan rad mreže neće biti ugrožen.
Doktorska disertacija identificira tri glavna problema koji otežavaju planiranje i vođenje distribucijskih mreža: niska osmotrivost i nedovoljna točnost podataka o mreži, nedostatak alata i metoda koji omogućuju složene i precizne analize distribucijskih mreža te neiskorišten potencijal krajnjih korisnika u poboljšanju tehničkih prilika u distribucijskim mrežama.
Niska osmotrivost distribucijskih mreža postaje manji problem ugradnjom pametnih brojila koja omogućuju praćenje mreže bliže stvarnom vremenu. Digitalizacija također omogućuje vizualizaciju elemenata mreže, zajedno s pohranjivanjem njihovih tehničkih atributa u alate i baze podataka koji se oslanjaju na geografski informacijski sustav (GIS). Iako su GIS podatci o distribucijskim mrežama preduvjet za izradu matematičkog modela mreže koji omogućuje daljnje analize, oni često sadrže različite pogreške koje onemogućuju njihovo korištenje u početnom obliku. U disertaciji se daje pregled različitih pristupa rješavanju problema nedostatka podataka o distribucijskim mrežama i njihove niske osmotrivosti. Jedan od pristupa je kreiranje i korištenje sintetičkih referentnih modela distribucijske mreže koji su učinkoviti u verifikaciji alata i metoda razvijenih za različite analize i simulacije. Međutim, ti se modeli ne mogu koristiti u analizama stvarnih mreža i iz tog razloga fokus je stavljen na razvoj metoda koje uklanjaju pogreške u GIS skupu podataka stvarne distribucijske mreže. Bez obzira oslanjaju li se analize na referentne ili stvarne distribucijske mreže, potrebno je stvoriti matematički prikaz mreže, što postaje izazov u distribucijskim, a posebno niskonaponskim (NN) mrežama. Zbog svoje specifične konfiguracije i drugih karakteristika, neki modeli NN distribucijskih mreža mogu dovesti do gubitka točnosti, ali i do gubitka računarske učinkovitosti. U disertaciji je prikazana razvijena metoda za otkrivanje i uklanjanje GIS pogrešaka u skupu podataka koji predstavljaju elemente stvarne NN distribucijske mreže. Pogreške su otkrivene na temelju analize velikog skupa podataka koji sadrži više NN mreža. Metoda je automatizirana, što ju čini jednostavnom za korištenje, ali i za proširenje novim funkcionalnostima potrebnim u slučaju novootkrivenih grešaka.
Zbog već navedenih specifičnosti, korišteni alati i zaključci izvedeni iz tradicionalnih analiza elektroenergetskih sustava nisu valjani u slučaju distribucijskih mreža. Stoga postoji potreba za razvojem novih alata i metoda koji će se koristiti u simulacijama i analizama distribucijskih mreža. Glavni fokus disertacije stavljen je na dvije vrste analiza - analizu narušavanja kvalitete električne energije i analizu temeljenu na modelima optimalnih tokova snaga. Distribuirani izvori energije, točnije, njihovo sučelje s mrežom temeljeno na energetskoj elektronici i nelinearni tereti koji su već u mreži identificirani su kao izvori narušavanja vrijednosti iznosa napona, faktora naponske nesimetrije i faktora ukupnog harmoničkog izobličenja napona. Pregled različitih pristupa usmjerenih na poboljšanje kvalitete električne energije predstavlja metode orijentirane na često skupo i složeno korištenje fizičkih uređaja i korištenje potencijala fleksibilnosti krajnjih korisnika. Fleksibilni uređaji u kućanstvima kojima je moguće upravljati, zajedno s distribuiranim izvorima u vlasništvu krajnjih korisnika mogu doprinijeti uklanjanju različitih tehničkih problema u mreži. Međutim, krajnji korisnici često nerado pružaju usluge fleksibilnosti zbog potencijalne nelagode uzrokovane zahtjevima za promjenom potrošnje električne energije. Stoga je u radu prikazano nekoliko neinvazivnih pristupa usmjerenih na održavanje željene razine udobnosti tijekom sudjelovanja krajnjih korisnika u pružanju usluga fleksibilnosti za poboljšanje kvalitete električne energije.
Točna formulacija modela optimalnih tokova snaga je nelinearna i nekonveksna, što formulaciju čini neskalabilnom i računarski neučinkovitom. Stoga postoji mnogo aproksimacijskih pristupa za smanjenje složenosti problema optimalnih tokova snaga. Doktorska disertacija je usmjerena na pregled linearizacijskih i relaksacijskih pristupa te pristupa koji koriste algoritme strojnog učenja za rješavanje jednadžbi koje definiraju elektroenergetski sustav. Međutim, svi ovi pristupi mogu dovesti do gubitka točnosti. Stoga su prikazane i nelinearne formulacije optimalnih tokova snaga, zajedno s njihovom implementacijom i potencijalnom primjenom. Disertacija nadopunjuje pregled formulacija optimalnih tokova snaga nelineranom formulacijom trofaznog modela optimalnih tokova snaga proširenog s ograničenjima naponske nesimetrije i harmoničkih izobličenja. |
