Tese
Análise intervalar do fluxo de potência em microrredes com distorções harmônicas: uma abordagem usando série de Taylor
Autor
Sousa, Letícia Lacerda Santos de
Institución
Resumen
The constant growth in electricity consumption, combined with the use of alternative
sources, results in a greater number of issues related to power quality. In addition,
uncertainty about load, generation data makes it difficult to analyze electrical networks
in real time. The importance of dealing with uncertainties in methods for evaluating
power systems is directly related with decision-making in a control center, ensuring
a panoramic and systemic view which strives for greater reliability and security for
planning and operation. Within this context, this work aims to propose tools for interval
analysis based on the calculation of Power Flow (PF) and Harmonic Power Flow (HPF)
considering microgrids operating connected to the main grid and in islanded mode assuming
uncertainties associated with the load and generation values. Due to the scarcity of related
works that evaluate the introduction of uncertainties in microgrids, this work proposes
the development of an interval power flow in voltage polar coordinates (magnitudes and
angles) to evaluate the operation of these networks and their harmonic propagation.
Based on the expansion to the second order terms of the Taylor series in which the
derivatives of the algebraic equations of the PF are calculated with respect to a parameter
of percentage uncertainty, the impact of uncertain data on the possible solutions of the
PF is determined. The reason for using the Taylor series is related with the ease of
manipulation of the equations to be implemented. Thus, the method uses, in addition to
the Jacobian matrix containing the first order derivatives, the Hessian matrix referring to
the PF and HPF equations, containing all the second order partial derivatives. In order to
connect Distributed Generation units (DGs) to microgrids, voltage source inverters (VSIs)
with their frequency control characteristics (Voltage Source Inverters) are considered with
the purpose of evaluating not only the network operating state variables but also the impact
of uncertainties on the frequency value, in Hz, of the microgrids. For the computational
simulations, IEEE systems of 33 and 69 buses are used, modified by the inclusion of DGs
and non-linear loads, modeled as harmonic current sources. The results demonstrate
how the developed method allows calculating intervals associated with the magnitudes
and voltage angles of a microgrid, as well as its frequency and harmonic distortions for
each bus. To validate the proposed methodology, Monte Carlo (MC) simulations are
conducted, attesting the compatibility between the solutions provided by them. As a main
contribution, the proposed methodology determines the solution with less computational
time and presents similar results since the calculations are performed directly without
iterative characteristics. O constante crescimento do consumo de energia elétrica aliado à utilização de fontes
alternativas resulta em um maior número de questões relativas à qualidade de energia.
Além disso, a incerteza acerca dos dados de carga e geração em tempo real dificulta a análise
de redes elétricas. A importância do tratamento de incertezas nos métodos destinados à
avaliação de sistemas de potência está diretamente relacionada às tomadas de decisão em
um centro de controle, garantindo uma visão panorâmica e sistêmica a qual prima por
maior confiabilidade e segurança para o planejamento e operação. Dentro desse contexto,
este trabalho tem como objetivo propor ferramentas para a análise intervalar baseadas no
cálculo do Fluxo de Potência (FP) e Fluxo de Potência Harmônico (FPH) considerando
microrredes operando conectadas à rede principal e de forma ilhada assumindo incertezas
nos valores de carga e geração. Devido à escassez de trabalhos correlatos que avaliam
a introdução de incertezas em microrredes, este trabalho propõe o desenvolvimento de
um fluxo de potência intervalar em coordenadas polares de tensão (magnitude e ângulo)
para avaliar a operação dessas redes e da propagação harmônica nas mesmas. Com base
na expansão até os termos de segunda ordem da série de Taylor em que as derivadas
das equações algébricas do FP são calculadas em relação a um parâmetro de incerteza
percentual, determina-se o impacto de dados incertos nas soluções possíveis do FP. A
razão do uso da série de Taylor está relacionada à facilidade de manipulação das equações
a serem implementadas. Assim, o método utiliza, além da matriz Jacobiana contendo
as derivadas de primeira ordem, a matriz Hessiana referente às equações de FP e FPH,
contendo todas as derivadas parciais de segunda ordem. A fim de conectar unidades de
Geração Distribuída (GDs) às microrredes, são considerados inversores do tipo fonte de
tensão (do inglês, VSIs (Voltage Source Inverters)) com suas características de controle de
frequência (do inglês, frequency droop control) com o propósito de avaliar não somente as
variáveis de estado operativo da rede mas também o impacto das incertezas no valor da
frequência, em Hz, das microrredes. Para as simulações computacionais, são utilizados os
sistemas IEEE de 33 e 69 barras, modificados a partir da inclusão de GDs e cargas não
lineares, modeladas como fontes de corrente harmônica. Os resultados demonstram, de
maneira prática, como o método desenvolvido permite calcular intervalos associados às
magnitudes e ângulos de tensão de uma microrrede bem como sua frequência e as distorções
harmônicas em cada barra. Para validar a metodologia proposta, simulações de Monte
Carlo (MC) são conduzidas, atestando a compatibilidade entre as soluções fornecidas pelas
mesmas. Como principais contribuições, a metodologia proposta determina a solução com
menor tempo computacional uma vez que os cálculos são efetuados de maneira direta sem
característica iterativa e apresenta resultados semelhantes aos de MC. CAPES - Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior