Algorithms for distribution systems planning : applications to U.S. synthetic networks and improving resilience through microgrids

Abstract

El cambio climático es una realidad probada y en marcha, referida a una serie de cambios en las temperaturas y patrones climáticos en la Tierra como un incremento en las temperaturas, el deshielo de los polos o un incremento en la intensidad de los huracanes. La causa principal del cambio climático es la emisión de gases de efecto invernadero siendo en su conjunto la energía, la fuente del 72 % de las emisiones totales. En respuesta a estos datos, instituciones y gobiernos como la Unión Europea o Estados Unidos, han desarrollado planes de acción que buscan conformar unas sociedades y economías libres de emisiones de gases de efecto invernadero para el año 2050. Las políticas propuestas, centran sus medidas principalmente en la gestión de la energía, apostando por un abandono del uso de combustibles fósiles y una producción de energía basada en fuentes de generación renovables. Un factor común de las tecnologías de generación renovables es que la mayor parte de estas se conectan en la red de distribución eléctrica. Como consecuencia, se está viviendo un proceso de transición desde un sistema eléctrico sumamente centralizado hasta un sistema mucho más distribuido, en el que las redes de distribución ya no están dominadas en su mayor parte por la demanda, sino que co-existen demanda y generación. Este cambio de paradigma ha provocado un aumento considerable de la complejidad de la red de distribución, en la que la intermitencia de la generación renovable, los flujos bidireccionales de energía y la creciente flexibilidad de los activos de la red son cada vez más comunes. Dicha complejidad pone de manifiesto la necesidad del diseño de algoritmos que optimicen la gestión y planificación de los activos de red, y la necesidad de redes de distribución sintéticas y representativas que permitan chequear y comparar los algoritmos propuestos. Esta tesis realizada como compendio de cuatro artículos, trata de dar respuesta a estas necesidades desde una perspectiva de la planificación de red. En la primera parte de esta tesis (artículos 1 y 2) se realiza una revisión de las redes de distribución con una arquitectura USA publicadas hasta la fecha, y se señalan cuáles son las limitaciones que estas presentan como base de pruebas para evaluar los nuevos algoritmos desarrollados por la comunidad científica. Tomando este punto de partida, se presenta un modelo que permite generar redes de distribución de gran escala con una arquitectura USA, resolviendo así las limitaciones identificadas. En una segunda parte de esta tesis (artículos 3 y 4), se plantea la planificación de la red de distribución desde la perspectiva de reforzar la red existente empleando microrredes. En primer lugar, se presenta una metodología que permite maximizar la fiabilidad de la red mientras se minimiza la inversión a través de la instalación de paneles fotovoltaicos, baterías y grupos diésel. En segundo lugar, se propone un modelo que maximiza la resiliencia del sistema mientras se minimiza la inversión, en este caso, a través de la instalación de la instalación de elementos de maniobra tele-controlados, el soterramiento de líneas, y la instalación de paneles fotovoltaicos y baterías. En ambos casos se analiza la rentabilidad de las soluciones ante distintos escenarios de costes.Climate change is a confirmed and ongoing phenomenon that implies several changes in temperatures and weather patterns on Earth, including an increase in temperatures, melting of the poles, and an increase in the intensity of hurricanes. The most critical factor behind climate change is the emission of greenhouse gases, with energy being responsible for 72% of emissions. In response to these findings, organizations and countries such as the European Union and the United States have formulated action plans to achieve net-zero greenhouse gas emissions in societies and economies by 2050. The proposed policies are primarily concerned with energy management, with a commitment to phase out the use of fossil fuels and promote energy supplied by renewable sources. Renewable generation technologies are commonly connected to the electrical distribution network. As a result, the top-down paradigm is being abandoned, with a transition from a highly centralized electricity system to a considerably more decentralized system, in which distribution networks are no longer dominated by demand but instead coexist with distributed generation. This paradigm shift has increased the complexity of the distribution network operation, where the bi-directional power flows and the growing flexibility of network assets are becoming more and more common. Such complexity highlights the need for the design of algorithms that optimize the management and planning of network assets, and the need for representative synthetic distribution networks to test and compare the proposed algorithms. This thesis addresses these needs from a network planning perspective with a compendium of four papers. In the first part of this thesis (papers 1 and 2), a review of the published to date distribution test systems that have a U.S. architecture is carried out, pointing out the limitations they present as a test system to evaluate new algorithms developed by the scientific community. Taking this as a starting point, a novel set of algorithms is presented that allows generating large-scale distribution networks with a U.S. architecture, overcoming the limitations identified in previous test systems. In the second part of this thesis (papers 3 and 4), distribution network planning is approached from the perspective of reinforcing an existing network through microgrids. First, it is presented a methodology that seeks to maximize network reliability while minimizing investment by installing photovoltaic panels, batteries, and diesel generation groups. Secondly, a model is formulated that aims to maximize the system's resilience while minimizing the investment, in this case, through the installation of remote-controlled switches, the undergrounding of lines, and the installation of photovoltaic panels and batteries. In both cases, the profitability of the solutions is analyzed under different cost assumptions.