Optimal control of wind farms for TSO-DSO coordinated reactive power management

The growing importance of renewable generation connected to distribution grids poses several challenges to traditional grid operation methods, at both distribution and transmission level. Distributed Generation (DG) offers on the other hand also opportunities, especially when it comes to reactive power provision. Voltage and reactive power control in systems with high penetration of Variable Renewable Energy Sources (VRES), require an increased coordination between the Transmission System Operator (TSO) and the Distribution System Operator (DSO) in order to exploit DG potential in the optimal way. This Master Thesis addresses the coordination between TSO and DSO at the High Voltage (HV)-Extremely High Voltage (EHV) interface in Germany and the optimal use of wind farms for reactive power management. For this purpose, a modular Optimal Power Flow (OPF) tool, featuring Multi Objective (MO) optimization, is developed. The OPF tool is used to build a practical and effective interaction scheme based on sequential optimizations to evaluate the reactive flexibility potential of distribution networks and dispatch them along with traditional synchronous generators. The scheme developed allows taking into account constraints and needs of both systems keeping to a minimum the information exchange. The proposed method is evaluated for a real German 110-kV grid with 1.6 GW of wind power and the surrounding transmission system. Different types of set points are investigated, showing the feasibility for the DSO to fulfill also individual voltage and reactive power targets over multiple connection points. Different wind farm control modes are also proposed and implemented in the OPF. The results of this work, suggest the feasibility and the convenience of involving distribution grids and connected DG in the voltage control concept of entire grid regions.

La crescente diffusione degli impianti di generazione da fonte rinnovabile connessi alle reti di distribuzione pone diverse sfide ai metodi tradizionali di operazione dei sistemi elettrici, sia a livello di distribuzione sia di trasmissione. La Generazione Distribuita (GD) offre d’altro canto anche diverse opportunità, soprattutto in termini di regolazione della potenza rettiva. Il controllo della potenza reattiva e delle tensioni in un sistema ad alta penetrazione di Fonti Rinnovabili Non Programmabili (FRNP), richiede una crescente coordinazione tra il gestore del sistema di trasmissione (TSO) e i gestori dei sistemi di distribuzione (DSO), al fine di sfruttare in modo ottimale il potenziale offerto dalla GD. Questo lavoro di tesi si concentra sulla coordinazione tra TSO e DSO in Germania all’interfaccia tra l’alta e l’altissima tensione (AAT), e sul controllo ottimale dei parchi eolici per la gestione dei flussi di potenza reattiva. A tal fine è stato sviluppato un programma modulare di Optimal Power Flow (OPF), con ottimizzazione Multi-Obbiettivo (MO). L’OPF è stato poi usato per costruire uno schema di interazione basato sul calcolo della flessibilità in termini di potenza reattiva fornibile dalla rete di distribuzione e sul successivo dispacciamento della stessa da parte del TSO in coordinazione coi generatori sincroni. Il sistema sviluppato permette di tenere in considerazione i vincoli e le esigenze di entrambi i sistemi minimizzando lo scambio di informazioni richiesto. Il metodo proposto è stato validato tramite simulazioni su una porzione della rete di trasmissione tedesca con connessa una rete di distribuzione a 110-kV collocata nel nord della Germania e avente 1.6 GW di potenza eolica connessa. Diversi tipi di setpoint per il DSO sono stati investigati con successo, dimostrando la possibilità di fornire anche valori di tensione o potenza reattiva specifici per ogni punto di connessione. Anche diversi metodi di controllo per i parchi eolici sono stati sviluppati nell’OPF. I risultati di questo lavoro suggersicono che è possibile e anche conveniente coinvolgere le reti di distribuzione e la GD ivi connessa nella regolazione di tensione e di potenza reattiva di intere regioni.