Analysis of the impact of voltage control in distribution networks over energy losses

Abstract

The voltage control is an essential service that the Distribution System Operator (DSO) and the Transmission System Operator (TSO) have to provide. Optimizing this ancialliary service is an important goal for both of them since the quality of the power supply is required. Moreover, the voltage level at wich a device is connected a↵ects to the good functionality of it, and, also to the grid that will vary the current depending on the voltage level. Therefore is important to take into consideration the reaction that certain types of loads have with a variation of voltage. In this project it is analysed the repercution that a varation of voltage have over energy losses depending on the types of loads connected to the distribution network. The main objective about this project is do a deep analysis of the impact of voltage control in di↵erent distribution networks using di↵erent load profiles over energy losses. For achieving the main one, other the objectives are needed. These are having a good mathematical model of the di↵erent types of loads that are connected to a certain grid, by means of laboratory tests. Usually, in power flow problems the loads are modelled as constant power consumption or constant impedance. However, in this project, an accurate mathematical model is used. This model, the ZIP model, anaylse the reactive and active power consumption of each load at di↵erent voltage levels. This is done because the loads consumption varies a lot depending on the load and usually they di↵er from the constant power /impedance model. Also a simulation tool must be implemented in order to study the reaction that this load profiles have when they face di↵erent levels of voltage. This simulation tool is going to be built in Matlab 1. Besides, an important objective of this project is thinking about di↵erent load profiles for urban, semi-urban rural and industrial grids. As it has been explained before, di↵erent load profiles are going to be simulated. The simulations are going to show their reaction to di↵erent levels of voltage. Solving the power flow problem of each network, the energy losses in the lines are easily calculated. The simulator tool uses the ladder power flow solution. This method that is deeply explained in the project consists in a series of iterations that implement the power flow problem. The iterations are done by means adjusting the voltage level each consumption point till it reach the allowed error. For the purpose of this project the allowed error is always going to be ten percent of the nominal voltage (usually 2.3 V). The simulations are runned comparing the reaction that di↵erent levels of voltage have over energy losses. In the same place are ploted the reaction assuming the constant power consumption model, the constant impedance model and the ZIP model (mathematical model). The results show that for all types of grids the contant power model barely adjust to reality. However the Constant impedance model when lighnitng, heaters, electronic devices and low consumption induction motors have big weight in the load profile represents better their reaction. Nevertheless, it doesnt adjust completely and when there is a heavier presence of inductions motors the constant impedance model barely represents the rality when lower levels of voltage are considered. When considering di↵erent times of the year (winter and summer) there is a di↵erence in the consumption. It has been observed that when in urban, rural and semiurban grids the presence of heaters in winter provoke more losses for lower voltages. However, the Air conditioned adjust more to the Constant Impedance Model. In an overall view in winter the nominal consumption level increases. Improvements to the voltage control can be done. If the loads in distribution networks are modeled as ZIP loads, a better control of the energy losses can take place because the real reaction of the loads facing a variable voltage is known. If a constant model is taken, it is reccomendable to use the Constant Impendance Model as it adjust more to the reality than Constant Power model. Also few correction factors can be used for low voltage levels if a Constant Impedance Model is used.

El control de voltaje es un servicio esencial que las empresas encargadas de la distribuci ´on y transmision el´ectrica tienen que proporcionar. La optimizacion de ese servicio es un objetivo importante dado que influye directamente en la calidad de conexi´on que se proporciona al consumidor. Este nivel de voltaje, como es l´ogico, inlfuye a su vez en el buen funcionamiento de los aparators conectados a la red. Existen diferentes leyes que regulan este tema, y en ellas se establecen rangos legales en los que los niveles de voltaje se deben de encontrar. Por estos motivos es importante considerar a su vez las reacciones que ciertos tipos de cargas tienen cuando se les somete a diferentes niveles de voltaje. En este proyecto va a ser analizada la repercusi´on que las variaciones de voltaje en redes de distribuci´on el´ectrica tienen en las perdidas energ´eticas, considerando a su vez los perfiles de carga que estan conectados El objetivo principal de este proyecto se va centrar en realizar un profundo analisis del impacto que el control de voltaje tiene en las perdidas energ´eticas de las redes de distribucion, usando diferentes tipos de perfiles de carga. Para alcanzar este objetivo, previos objetivos tienen que ser obtenidos. Estos objetivos son, entre otros, construir un buen modelo matem´atico de los di↵erentes tipos de aparatos conectados a la red. Estos modelos matem´aticos son obtenidos en el laboratorio de maquinas el´ectricas de la Escuela Superior de Ingenier´ıa de ICAI de la Universidad Pontifica de Comillas. Normalmente, en los problemas de flujos de carga las cargas son modeladas o como cargas que consumen una potencia activa constante o como cargas que poseen una impedancia constante. Sin embargo, en este proyecto, un afinado modelo matem´atico es usado. Este modelo matem´atico, es el llamado modelo ZIP. Este modelo analiza la consumici´on de potencia activa y reactiva de una carga variando el nivel de voltaje. e El resultado es unas ecuaciones que representan exactamente la reacci´on de estas cargas en los diferentes tipos de niveles. Este modelo es usado porque usualmente lo que consume una carga varia mucho dependiendo de al nivel de voltaje que se este sometiendo la misma, y por lo tanto, un modelo que asuma una reacci´on fija puede no ser el mas acertado. Para el estudio de esta reacci´on mencionada anteriormente es necesario crear una herramienta de simulaci´on. Esta herramienta se contruye con el programa Matlab 2, y permite calcular las perdidas energ´eticas en lineas de distribuci´on para distintos niveles de voltaje. Esta herramienta tambi´en permite seleccionar el tipo de red que se esta simulando, las cargas que hay en dicha red y la estaci´on del a˜no en la que se esta simulando. Esto es de suma importancia, pues otro de los objetivos es construir distribuciones de carga t´ıpicas, diferentes una de la otra, para redes urbanas, rurales, semiurbanas e industriales. Como se ha explicado se han simulado di↵erentes perfiles de cargas para diversas redes para distintos niveles de voltaje. Solucionando el problema de flujo de carga mediante el metodo ladder power flow, se consigue calcular las intensidades de la red y por ende las perdidas energ´eticas. Este m´etodo que se utiliza para resolver el problema de flujo de carga consiste en realizar una serie de iteraciones que ajustan el valor de la tensi´on de cada punto de consumo hasta que se alcanza un error permitido. Este error permitido es el 1 por ciento de el valor de la tensi´on nominal Los diferentes escenarios se simulan como se ha dicho antes para diferentes niveles de voltaje. En la misma grafica se pintan las perdidas originadas en la linea consierando que las cargas actuan siguiendo un modelo de potencia activa consumida constante, impedancia constante o ZIP (modelo matematico de las cargas). Los resultados muestran que para todos los tipos de redes el modelo de potencia activa consumida constante no representa en absoluto la verdadera reaccion que tienen las cargas. En cambio, el modelo de impedancia constante se ajusta mas a la realidad. Aun mas cuando la presencia de aparatos como calefactores, luminarias y maquinas de induccion de peque˜no consumo. Aun asi, no se ajusta el todo, sobre todo cuando hay una presencia alta de motores de induccion de alto consumo. Por ejemplo en redes industriales, que tipicamente estan caracterizadas por tener connectadas maquinas muy grandes, el modelo de impedancia constante no se ajustaria, sobre todo, como se explica en el pryecto, para bajos niveles de voltaje. Cuando se consideran diferentes epocas del a˜no (invierno y verano) el nivel de perdidas cambia debido tambien al cambio en presencia de calefactores por aires acondicionados, o viceversa. Tambi´en, se observa que para redes parcialmente o totalmente residenciales se incrementan las perdidas energ´eticas en invierno. Logicamente, despues de este proyecto se pueden plantear algunas tecnicas de optimizaci´on de reducci´on de perdidas. Por ejemplo, si se modelan las cargas con un modelo ZIP la reacci´on de las cargas se va a saber a la perfecci´on. Una soluci´on posible ser´ıa asumir un modelo de impedancia constante y a˜nadir unos factores de correci´on para bajos niveles de tensi´on de redes industriales.