Control Strategies of Distributed Renewable Energy Sources and Demand Response Scheduling

Dissertação de Mestrado em Engenharia Eletrotécnica e de Computadores apresentada à Faculdade de Ciências e Tecnologia da Universidade de Coimbra.Existe atualmente uma grande preocupação com o ambiente, o que inclui o aumento da energia renovável e a redução da emissão de gases de efeito de estufa associados à geração. Por esse motivo, tem-se verificado o aumento de fontes distribuídas de energia renovável, principalmente painéis fotovoltaicos (PV), na rede de distribuição de baixa tensão. O comportamento dessas fontes tornou-se um fator importante em problemas relacionados com o nível de tensão, qualidade de energia e estabilidade da rede. O projeto INCREASE tem como objetivo o desenvolvimento de soluções técnicas para problemas nas redes de baixa tensão, de maneira a permitir o aumento da penetração de fontes distribuídas de energia renovável. Foram desenvolvidos novos controlos para fontes distribuídas de energia renovável, que permitem ao Operador do Sistema de Distribuição um melhor controlo sobre o nível de tensão e qualidade de energia da rede. De forma a complementar os novos controlos de inversor, foi concebida uma nova estratégia para permitir a agregação e operação de fontes renováveis e cargas flexíveis (DR). Esta dissertação tem como objetivo avaliar os novos controlos para os inversores e as estratégias de agendamento para cargas flexíveis numa rede urbana, através de diferentes cenários criados com diferentes níveis de penetração PV e DR, e para o verão e inverno. São avaliados nos resultados das simulações aspetos como a energia injetada pelos PV, receitas, poupança de custos em emissões e adequação de produção. Foram estudados e avaliados diferentes serviços, começando com o Basic Service onde o Simple Control e Local Control implementam novas estratégias de redução no inversor do PV, aquando a ocorrência de violações na qualidade de energia. O Scheduling Service pretende analisar o efeito da implementação e utilização de unidades de carga flexível no aumento da injeção de energia fotovoltaica na rede. Com o agendamento de unidades DR, é criada uma nova opção com o Balancing Service, que vai permitir uma otimização do agendamento em função de objetivos económicos ou energéticos. Por último, o Traffic Light System Service acrescenta uma verificação da adequação dos agendamentos das cargas flexíveis com as condições da rede. Com os resultados das simulações verificou-se um impacto positivo provocado pelos novos controlos das unidades PV e estratégias de agendamento de DR, ao nível da média e alta penetração fotovoltaica, demonstrando um aumento considerável de injeção de energia PV na rede. Contudo, o mais importante são os benefícios alcançados por estas estratégias, permitindo um aumento de energia renovável, receitas para os proprietários dos painéis fotovoltaicos e diminuição de emissões e custos associados. As soluções propostas revelam-se efetivas no apoio ao operador da rede, mas mais importante, proporcionam vantagens e benefícios para a sociedade e ambiente.Nowadays, there is a huge concern about the environment, which includes the increase of renewable energy and a reduction of greenhouse gases at generation level. Therefore the distributed renewable energy sources (DRES) share, mainly small-scale photovoltaic (PV) units, on the low voltage (LV) grid is increasing. Their behaviour is becoming an important factor in issues related with voltage level, power quality and network stability. The INCREASE project has the aim of developing technical solution for problems in low voltage networks, in order to increase the penetration of DRES on distribution networks. The project developed new control mechanisms of DRES, enabling the distribution system operator (DSO) to better control voltage levels and the power quality of the network. In addition to the new inverters controls, a new multi-agent strategy was designed for aggregating and operating DRES and flexible loads. This dissertation aims to assess the new inverter controls and demand response (DR) scheduling strategies in an urban network environment, through different scenarios created with different PV and DR penetration levels for the summer and winter. The simulations results assess aspects like PV electricity injection, Revenues, Costs of Emissions and Supply Adequacy. Different services were assessed, starting with a Basic Service where the Simple Control and Local Control with new curtailment strategies implemented on the PV inverter when power quality (PQ) violations occur. Scheduling Service aims to analyse the implementation and utilization of flexible demand response units to increase the injection of PV generation into the grid. With the scheduling of DR units, another option is created with the new Balancing Service, which allow to optimize the demand response scheduling with Energy and Economic objectives. Finally, the Traffic Light System Service checks the suitability of DR schedule with the network power flows. The simulation results show the positive impact of Simple and Local Controls on DRES and DR scheduling strategies in medium and high PV penetration levels, demonstrating a relevant increase of PV generation injection. However, the most important is the positive results achieved with new controls and DR scheduling, increasing the renewable energy injection and the PV owners’ revenues, and decreasing the emissions costs from the traditional power plants. INCREASE solutions are effective to support DSO and most important, they bring overall advantages and benefits for the society and environment