Voltage control of distribution grids with high penetration of dispersed generation

The increasing integration of renewable energy sources into electrical grids is a critical step towards achieving global sustainability goals. Among these sources, photovoltaic (PV) systems stand out due to their scalability, declining costs, and environmental benefits. However, their integration into existing distribution grids poses significant challenges that must be addressed to ensure grid stability and reliability. Among these challenges, over-voltages and network losses are of paramount concern, necessitating comprehensive analysis and strategic mitigation to ensure a resilient and efficient power distribution infrastructure. This study explores the integration of PV systems into the distribution grid of Aosta city. A model inspired by the Aosta distribution grid is developed from scratch, providing a detailed representation of its current state. Utilizing Monte Carlo simulations, variousS scenarios of PV penetration are analyzed to assess their impact on the grid's performance. The study investigates critical parameters including voltage stability, power losses, and overall system reliability under different configurations of PV deployment. All the scenarios were investigated adopting four different control methods. Among four control methods researched in this study, three are using constant power factor (PF) with different values and one adopts dynamic adjustment of output reactive power of PVs based on a Q(V) characteristic curve. The results demonstrate that Q(V) characteristic control method can enhance the grid's overall voltage profiles while having negligible impact on losses. By simulating multiple study cases, this research accounted for worst-case scenarios that could arise in high penetration of PV systems, highlighting the role of advanced control strategies and in managing the intermittency and issues raised by renewable energy sources. In summary, this work presents a rigorous analysis of PV integration in the model of Aosta's distribution grid, emphasizing the transformative potential of distributed generations in achieving energy sustainability and reliability. Through detailed simulations and scenario analyses, the thesis provides a robust foundation for future research and development in the field of renewable energy integration and smart grid technology.

L'integrazione crescente delle fonti di energia rinnovabile nelle reti elettriche è un passo fondamentale verso il raggiungimento degli obiettivi di sostenibilità globale. Tra queste fonti, i sistemi fotovoltaici (PV) si distinguono per la loro scalabilità, i costi in diminuzione e i benefici ambientali. Tuttavia, la loro integrazione nelle reti di distribuzione esistenti pone sfide significative che devono essere affrontate per garantire la stabilità e l'affidabilità della rete. Tra queste sfide, le sovratensioni e le perdite di rete sono di primaria importanza, richiedendo un'analisi approfondita e una mitigazione strategica per garantire un'infrastruttura di distribuzione dell'energia resiliente ed efficiente. Questo studio esplora l'integrazione dei sistemi PV nella rete di distribuzione della città di Aosta. È stato sviluppato da zero un modello ispirato alla rete di distribuzione di Aosta, fornendo una rappresentazione dettagliata del suo stato attuale. Utilizzando simulazioni Monte Carlo, sono stati analizzati vari scenari di penetrazione PV per valutare il loro impatto sulle prestazioni della rete. Lo studio indaga parametri critici tra cui la stabilità della tensione, le perdite di potenza e l'affidabilità complessiva del sistema in diverse configurazioni di distribuzione dei PV. Tutti gli scenari sono stati analizzati adottando quattro diversi metodi di controllo. Tra i quattro metodi di controllo studiati, tre utilizzano un fattore di potenza (PF) costante con valori differenti e uno adotta la regolazione dinamica della potenza reattiva dei PV basata sulla loro curva caratteristica Q(V). I risultati dimostrano che il metodo di controllo caratteristico Q(V) può migliorare i profili di tensione complessivi della rete avendo un impatto trascurabile sulle perdite. Simulando molteplici casi di studio, questa ricerca ha considerato scenari peggiori che potrebbero sorgere in presenza di un'elevata penetrazione dei sistemi PV, evidenziando il ruolo delle strategie di controllo avanzate nella gestione dell'intermittenza e dei problemi sollevati dalle fonti di energia rinnovabile. In sintesi, questo lavoro presenta un'analisi rigorosa dell'integrazione dei PV nel modello della rete di distribuzione di Aosta, enfatizzando il potenziale trasformativo della generazione distribuita nel raggiungimento della sostenibilità energetica e dell'affidabilità. Attraverso simulazioni dettagliate e analisi di scenari, la tesi fornisce una solida base per future ricerche e sviluppi nel campo dell'integrazione delle energie rinnovabili e della tecnologia delle reti intelligenti.