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Optimal control of voltage and reactive power sources in power systems with presence of renewable energy

Pham, Van-Hoan

Erneuerbare Energiequellen wie die Sonnen- und Windenergie werden weltweit in großen Stückzahlen an Energieversorgungsnetzen angeschlossen. Als Ergebnis der intermittierenden Natur dieser Quellen - neben dem stetig steigenden Bedarf an Energie – stehen die Stromnetze derzeit vielen Herausforderungen bezüglich Sicherheit und Versorgungszuverlässigkeit gegenüber. Mit modernen Anschlusstechniken können diese neuen Energiequellen als Blindleistungsquellen und somit als wirtschaftlich günstige Mittel für die Regelung des Netzes herangezogen werden. Sie können im Zusammenspiel mit den anderen Blindleistungsquellen bzw. Spannungsregelern, wie z. B. Querdrossel, Stufenschalter, usw., in Maßnahmen eingebunden werden, die mit Hilfe neuer Regler ernsthafte Probleme in Stromnetzen zu vermeiden bezwecken. In diesem Zusammenhang ist das primäre Ziel dieser Arbeit unter Verwendung von mathematischen Fortschritten, den neusten Entwicklungen in Optimierungsalgorithmen sowie statistische Simulation- und Analysemethoden, die Leistung der bestehenden Kontrollansätzen zu bewerten und neue Regelstrukturen zur optimalen Spannungs- und Blindleistungsregelung in Stromnetzen zu entwerfen. Neben den oben genannten Herausforderungen muss die Netzregelungsaufgabe mit ungenauen Modellen und oft nicht aktualisierte System-Topologie Daten konfrontiert. Ein vor kurzem entwickelter neuer messungsbasierter Ansatz wird von Forschern derzeit zur Überwindung dieses Problems als nützlich angesehen. Dieses Konzept ist in der vorliegenden Arbeit vorgestellt und ist für den Einsatz in eine optimale Spannungs- und Blindleistungsregelung in Energienetzen eingeführt. Der letzte Schwerpunkt der Arbeit befasst sich mit einem Mechanismus, um einen gegenseitigen Kompromiss zwischen den vielen Akteuren in dezentralen Energiesystemen zu erreichen, damit ein bestimmtes global optimales Ziel (z. B. Spannungsprofil, o.ä.) erreicht werden kann. Hierzu eignen sich die multiagentenbasierten Techniken und werden in dieser Arbeit angewendet. In der Tat erfordert das Spannungsregelungsproblem in Netzen mit mehreren Betreibern eine effektive Koordination zwischen den Kontrollmaßnahmen benachbarter Netzbetreiber. Mangelnde Bereitschaft lokaler Systemdaten zu benachbarten Systembetreibern offen zu legen ist jedoch ein großes Hindernis, das nur durch eine kooperative Zusammenarbeit gelöst werden kann.

Renewable energy resources such as solar and wind are being connected to power systems worldwide in large numbers. As a result of the intermittent nature of these sources, in addition to the steadily increasing overall load demand, the electricity systems currently are faced with many challenges in security and operational reliability. With modern advanced grid-integration techniques, these energy resources are enabled to become reactive power sources, which offer themselves as cheap means for control. They are therefore being included with the other reactive power sources such as shunt reactor, tap- changer, etc., as crucial measures in new controllers to avoid serious problems occurring in the power system. Within this context, the primary objective of this thesis is the utilization of mathematical advances, recent developments in optimization algorithms, statistical simulation and analysis methods, to evaluate the performance of existing control approaches as well as to propose new controller schemes for optimal control of voltage and reactive power sources in power system. Besides the challenges named above, the control task in power systems has to contend with inaccurate model and not up-to-date system topology information. A new measurement based approach recently developed is currently attracting the attention of researchers. This concept is introduced in this thesis and is modified for use in optimal control of voltage and reactive power sources in power system. The final focus of the thesis is a mechanism to obtain a mutual compromise amongst the many actors in power system to achieve a certain globally optimum goal (e.g., voltage control, etc.). For this purpose a multi-agents based techniques are found to be suitable, and are presented in this thesis. In fact, voltage control problems typically involve different grids and operators to effectively deal with the coordination of the control actions among the neighboring power systems. Operators’ unwillingness to reveal local system data is, however, a big barrier which can only be solved through a harmonious cooperation mechanism amongst themselves.

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Pham, Van-Hoan: Optimal control of voltage and reactive power sources in power systems with presence of renewable energy. 2015.

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