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Tipo do documento: Tese
Título: MÉTODOS DE FLUXO DE POTÊNCIA PARA MICRORREDES CA E CC: CÁLCULO PROBABILÍSTICO DE ÍNDICES DE CONFIABILIDADE E DE DESEMPENHO
Título(s) alternativo(s): POWER FLOW METHODS FOR AC AND DC MICROGRIDS: CALCULATION PROBABILISTIC OF RELIABILITY AND PERFORMANCE INDEXES
Autor: SILVA, Elson Natanael Moreira 
Primeiro orientador: RODRIGUES, Anselmo Barbosa
Primeiro coorientador: SILVA, Maria da Guia da
Primeiro membro da banca: RODRIGUES, Anselmo Barbosa
Segundo membro da banca: SILVA, Maria da Guia da
Terceiro membro da banca: OLIVEIRA, Edimar José de
Quarto membro da banca: ARIOLI, Fernanda Caseño Trindade
Quinto membro da banca: RAPOSO, Antonio Adolpho Martins
Resumo: Um dos principais requisitos para realizar diversos estudos em microrredes operando no modo ilhado é determinar o estado da microrrede. Os fluxos de potência convencionais não são adequados para microrredes operando no modo ilhado, devido à falta de uma barra de referência nas microrredes. Além disso, a evolução da eletrônica de potência vem adicionando mudanças significativas na rede de distribuição, tais como: o aumento de cargas CC e geradores distribuídos renováveis CC. Estas tecnologias CC quando conectadas à rede de distribuição adicionam estágios de conversão que afetam a eficiência do processo de fornecimento de energia em microrredes ilhadas e interligadas. Recentemente, diversas pesquisas sugerem que a operação da rede de distribuição no modo CC é mais eficiente devido a: eliminação de vários estágios de conversão, ausência de violações de frequência durante o modo de operação ilhado de uma microrrede CC e aumento na capacidade de transferência de potência para as cargas. Esta tese de doutorado tem como objetivo introduzir novos métodos de fluxos de potência para microrredes CA e CC operando no modo ilhado. Para microrredes CA, é proposta uma estrutura geral para o Fluxo de Potência com Múltiplas Barras de Folga (FMF). A partir desta estrutura, são obtidos dois novos métodos de fluxos de potência: o FMF baseado no Método de Soma de Correntes (FMF-MSC-CA) e o FMF baseado no método de Gauss-Zbus (FMF-MGZ-CA). A expansão dos algoritmos de FMF das microrredes CA para as CC resultou em dois novos métodos de fluxo de potência: FMF-MSC-CC para microrredes CC radiais e o FMF-MGZ-CC para microrredes CC malhadas. Adicionalmente, são formuladas versões linearizadas do FMF para as microrredes CA e CC. Para microrredes CA, é proposto um FMF linear matricial baseado na formulação de injeção de correntes nodais. Para microrredes CC, são propostas cinco versões do FMF Linear. Três versões CC matriciais que são baseadas nos seguintes conceitos: (i) aproximação da formulação de injeções de corrente nodais via série de Taylor; (ii) aproximação da formulação de injeções de potência nodais; (iii) aproximação da formulação de injeções de corrente nodais via regressão linear. As outras duas versões lineares, para microrredes CC, são baseadas no Método de Soma de Admitância (MSA). Estas duas versões são originadas a partir da representação das cargas CC e Geração Distribuída (GD) CC por um modelo equivalente linear formado por uma fonte de corrente em paralelo com uma condutância shunt obtido via: (i) série de Taylor ou (ii) regressão linear. Além disso, são formulados Fluxo de Potência Ótimo Lineares para microrredes CA e CC com o objetivo de determinar os valores de referência das tensões e das potências ativa/reativa do controle droop. Os métodos de fluxos de potência propostos foram aplicados em dois estudos probabilísticos: o cálculo de índices de confiabilidade e o fluxo de potência probabilístico para estimar índices de desempenho com incertezas. O fluxo de potência probabilístico utilizou o FMF Linear CA e o FMF Linear CC para avaliar o impacto de incertezas associadas com as falhas nos equipamentos e com os erros de previsão de carga nos seguintes índices de desempenho de microrredes CA e CC ilhadas: perdas, perfil de tensão e frequência angular. Os métodos de FMF para microrredes CC puras e híbridas foram usados para estimar o impacto de restrições de rede (tensão, frequência e carregamento) nos índices de confiabilidade da rede de distribuição CA e CA-CC. Estas restrições foram modeladas nas seguintes estratégias de restauração do fornecimento de energia da rede de distribuição: formação de microrredes e transferências de carga entre alimentadores. Os resultados dos testes demonstraram que os métodos de fluxos propostos possuem boa precisão e baixo custo computacional com relação ao método de Newton-Raphson. Além disso, o estudo de fluxo de potência probabilístico mostrou que as incertezas relacionadas a falhas nos equipamentos e erros de previsão de carga têm efeitos significantes nos índices de desempenho da microrrede. Finalmente, o cálculo dos índices de confiabilidade revelou que a inclusão de restrições de rede no ilhamento e nas transferências de carga afetam significativamente os índices de confiabilidade associados com as durações das interrupções.
Abstract: One of the main requisites to carry out several studies in microgrids operating in the islanded mode is to determine the microgrid state. The conventional power flow algorithms are not suitable for the microgrids operating in the islanded mode due to absence of a slack bus. Furthermore, the power electronics evolution has introduced significant changes in the distribution networks, such as: increasing of DC loads and DC renewable distributed generation. The connection of these DC technologies to distribution network adds new conversion stages that affect the efficiency of the power delivery process in islanded and connected microgrid operation modes. Recently, several researches has suggested that the operation of distribution networks in DC mode is more efficient due to: elimination of conversion stages, absence of frequency violations during the islanded operation of a DC microgrid and increase of the power transfer capacity for the loads. This thesis has as objective to introduce new methods of power flow for DC and AC microgrids. For AC microgrids, it is proposed a general structure for Power Flow with Multiple Slack Buses (FMS). From this structure, two new power flow methods were obtained: the MSF based on the Current Summation Method (MSF-CSM-AC) and the MSF based on the Gauss-Zbus Method (MSF-GZM-AC). The expansion of the MSF algorithms from AC microgrids to DC ones resulted in two new power flow algorithms: MSF-CSM-DC for radial DC microgrids and MSF-GZM-DC for meshed DC microgrids. Additionally, two linearized versions of the MSF for AC and DC microgrids were formulated. For AC microgrids, it is proposed a linearized MSF based on the nodal currents injections formulation. For DC microgrids, five versions of the linearized MSF are proposed. Three matrix versions are based on the following concepts: approximation of the nodal current injection formulation through Taylor series; (ii) approximation of the nodal powers injections formulation; (iii) approximation of the nodal currents injections formulation through linear regression. The other two linear versions, for DC microgrids, are based on the Admittance Summation Method (ASM). These two versions are originated from the representation of the loads DC and Distributed Generation (DG) DC by an equivalent linear model formed by a current source in parallel with a shunt conductance obtained via: (i) Taylor series or (ii) linear regression. Furthermore, two linear optimal power flow models are formulated for AC and DC microgrids aiming to determine reference values for the voltages and active/reactive powers of the droop control. The proposed power flow methods were applied in two probabilistic studies: the reliability indices calculation and the probabilistic power flow to estimate performance indices with uncertainties. The probabilistic power flow used the AC and DC linearized MSF to assess the impact of uncertainties associated with equipment failures and load forecasting errors on the following performance indices of the islanded microgrids AC e DC: losses, voltage profile and angular frequency. The MSF methods for pure and hybrid DC networks were used to estimate the impact of network constraints (voltage, frequency and loading) on the reliability indices of AC and AC-DC distribution networks. These constraints were modelled in the following power supply restoration strategies of distribution networks: microgrid formation and load transfers among feeders. The tests results demonstrated that the proposed power flow methods has good accuracy and low computational costs regarding to Newton-Raphson Method. Furthermore, the probabilistic power flow study showed that the uncertainties related to equipment failures and load forecasting errors has significant impact on the microgrid performance indices. Finally, the reliability indices evaluation reveals that the inclusion of network constraints in the islanding and load transfers affect significantly the reliability associated with the interruptions durations.
Palavras-chave: Microrredes CA;
Microrredes CC;
Ilhamento;
Fluxo de Potência;
Métodos Probabilísticos;
Confiabilidade
AC Microgrids;
DC Microgrids;
Islanding;
Power Flow;
Probabilistic Methods;
Reliability
Área(s) do CNPq: Sistemas Elétricos de Potência
Idioma: por
País: Brasil
Instituição: Universidade Federal do Maranhão
Sigla da instituição: UFMA
Departamento: DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA DA ELETRICIDADE/CCET
Programa: PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA DE ELETRICIDADE/CCET
Citação: SILVA, Elson Natanael Moreira. Métodos de fluxo de potência para Microrredes CA e CC: Cálculo probabilístico de índices de confiabilidade e de desempenho. 2021. 330 f. Tese( Programa de Pós-graduação em Engenharia de Eletricidade/CCET) - Universidade Federal do Maranhão, São Luís, 2021.
Tipo de acesso: Acesso Aberto
URI: https://tedebc.ufma.br/jspui/handle/tede/tede/4088
Data de defesa: 14-Abr-2021
Aparece nas coleções:TESE DE DOUTORADO - PROGRAMA DE PÓS GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA DE ELETRICIDADE

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