Published April 15, 2023
| Version v1
Publication
Open
Optimization of Distributed Energy Resources in Distribution Networks: Applications of Convex Optimal Power Flow Formulations in Distribution Networks
Description
The increasing penetration of distributed energy resources (DER) has imposed several challenges in the analysis and operation distribution networks. In the last decade, the implementation of battery energy storage systems (BESS) in electric networks has caught the interest in research since the results have shown multiple positive effects when deployed optimally. However, a complex formulation of the optimization problem regarding DER implementations can easly become nonconvex, thus limiting the scope of the results (quality) and affecting the computational efficiency. In this paper, convex formulations of the optimal power flow (OPF) problem for DER (PV and BESS) installations in San Andres distribution network were implemented to minimize power losses. Four main simulation cases were stablished covering convex power flow analysis, convex optimal power flow to locate and size dispatchable and nondispatchable DER (PV) with demand and irradiation profiles, and the inclusion of aggregated and distributed PV and BESS systems. The computational realization of those formulations was made with three different software packages: CVX in python, CPLEX, and MATLAB (MATPOWER/PSO). The results show that installing DER capacity (both PV and/or BESS) can substantially improve the power losses in distribution networks, especially if considered distributed instead of aggregated, achieving reductions up to 75% for power losses and up to 57% for conventional generation utilization. Besides power losses, it was observed that optimal DER (PV and BESS) implementations behaved similarly as demand response signals do, potentially increasing economic benefits for DISCOs. In terms of computational efficiency, convex formulations help substantially to reduce computation times, especially if scalability is to be considered when distributed DER installations were studied.
Translated Descriptions
⚠️
This is an automatic machine translation with an accuracy of 90-95%
Translated Description (Arabic)
فرض الاختراق المتزايد لموارد الطاقة الموزعة (DER) العديد من التحديات في شبكات توزيع التحليل والتشغيل. في العقد الماضي، استحوذ تنفيذ أنظمة تخزين طاقة البطارية (BESS) في الشبكات الكهربائية على الاهتمام بالبحث لأن النتائج أظهرت تأثيرات إيجابية متعددة عند نشرها على النحو الأمثل. ومع ذلك، يمكن أن تصبح الصياغة المعقدة لمشكلة التحسين فيما يتعلق بتطبيقات DER غير محدبة بسهولة، مما يحد من نطاق النتائج (الجودة) ويؤثر على الكفاءة الحسابية. في هذه الورقة، تم تنفيذ الصيغ المحدبة لمشكلة تدفق الطاقة الأمثل (OPF) لمنشآت DER (الكهروضوئية و BESS) في شبكة توزيع سان أندريس لتقليل فقد الطاقة. تم تثبيت أربع حالات محاكاة رئيسية تغطي تحليل تدفق الطاقة المحدب، وتدفق الطاقة الأمثل المحدب لتحديد موقع وحجم DER (PV) القابل للإرسال وغير القابل للإرسال مع الطلب والتشعيع، وإدراج أنظمة PV و BESS المجمعة والموزعة. تم الإدراك الحسابي لتلك الصيغ من خلال ثلاث حزم برمجية مختلفة: CVX في python و CPLEX و MATLAB (MATPOWER/PSO). تظهر النتائج أن تركيب قدرة DER (كل من PV و/أو BESS) يمكن أن يحسن بشكل كبير من فقدان الطاقة في شبكات التوزيع، خاصة إذا تم توزيعها بدلاً من تجميعها، مما يحقق تخفيضات تصل إلى 75 ٪ لفقدان الطاقة وما يصل إلى 57 ٪ لاستخدام التوليد التقليدي. إلى جانب فقدان الطاقة، لوحظ أن تطبيقات DER المثلى (PV و BESS) تتصرف بالمثل كما تفعل إشارات استجابة الطلب، مما قد يزيد من الفوائد الاقتصادية لـ DISCOs. من حيث الكفاءة الحسابية، تساعد التركيبات المحدبة بشكل كبير على تقليل أوقات الحساب، خاصة إذا كان يجب مراعاة قابلية التوسع عند دراسة تركيبات DER الموزعة.Translated Description (French)
La pénétration croissante des ressources énergétiques distribuées (DER) a imposé plusieurs défis dans les réseaux d'analyse et de distribution d'exploitation. Au cours de la dernière décennie, la mise en œuvre de systèmes de stockage d'énergie par batterie (BESS) dans les réseaux électriques a suscité l'intérêt de la recherche, car les résultats ont montré de multiples effets positifs lorsqu'ils sont déployés de manière optimale. Cependant, une formulation complexe du problème d'optimisation concernant les implémentations DER peut facilement devenir non-convexe, limitant ainsi la portée des résultats (qualité) et affectant l'efficacité du calcul. Dans cet article, des formulations convexes du problème de flux de puissance optimal (OPF) pour les installations DER (PV et BESS) du réseau de distribution de San Andres ont été mises en œuvre pour minimiser les pertes de puissance. Quatre principaux cas de simulation ont été établis, couvrant l'analyse du flux de puissance convexe, le flux de puissance optimal convexe pour localiser et dimensionner les DER (PV) dispatchables et non dispatchables avec des profils de demande et d'irradiation, et l'inclusion de systèmes PV et BESS agrégés et distribués. La réalisation informatique de ces formulations a été réalisée avec trois progiciels différents : CVX en python, CPLEX et Matlab (Matpower/PSO). Les résultats montrent que l'installation de la capacité DER (PV et/ou BESS) peut considérablement améliorer les pertes de puissance dans les réseaux de distribution, en particulier si elles sont considérées comme distribuées au lieu d'être agrégées, réalisant des réductions allant jusqu'à 75 % pour les pertes de puissance et jusqu'à 57 % pour l'utilisation de la production conventionnelle. Outre les pertes de puissance, il a été observé que les implémentations optimales de DER (PV et BESS) se comportaient de la même manière que les signaux de réponse à la demande, augmentant potentiellement les avantages économiques pour les DISCO. En termes d'efficacité de calcul, les formulations convexes aident considérablement à réduire les temps de calcul, en particulier si l'évolutivité doit être prise en compte lors de l'étude des installations DER distribuées.Translated Description (Spanish)
La creciente penetración de los recursos energéticos distribuidos (DER) ha impuesto varios desafíos en las redes de distribución de análisis y operación. En la última década, la implementación de sistemas de almacenamiento de energía de batería (BESS) en redes eléctricas ha captado el interés en la investigación, ya que los resultados han mostrado múltiples efectos positivos cuando se implementan de manera óptima. Sin embargo, una formulación compleja del problema de optimización con respecto a las implementaciones de DER puede volverse fácilmente no convexa, lo que limita el alcance de los resultados (calidad) y afecta la eficiencia computacional. En este documento, se implementaron formulaciones convexas del problema del flujo de energía óptimo (OPF) para instalaciones DER (PV y BESS) en la red de distribución de San Andrés para minimizar las pérdidas de energía. Se establecieron cuatro casos principales de simulación que cubren el análisis de flujo de potencia convexo, el flujo de potencia óptimo convexo para localizar y dimensionar DER (PV) despachable y no despachable con perfiles de demanda e irradiación, y la inclusión de sistemas PV y BESS agregados y distribuidos. La realización computacional de esas formulaciones se realizó con tres paquetes de software diferentes: CVX en python, CPLEX y MATLAB (MATPOWER/PSO). Los resultados muestran que la instalación de capacidad DER (tanto fotovoltaica como BESS) puede mejorar sustancialmente las pérdidas de energía en las redes de distribución, especialmente si se considera distribuida en lugar de agregada, logrando reducciones de hasta el 75% para las pérdidas de energía y hasta el 57% para la utilización de generación convencional. Además de las pérdidas de potencia, se observó que las implementaciones óptimas de DER (PV y BESS) se comportaban de manera similar a las señales de respuesta a la demanda, lo que podría aumentar los beneficios económicos para los DISCO. En términos de eficiencia computacional, las formulaciones convexas ayudan sustancialmente a reducir los tiempos de cálculo, especialmente si se debe considerar la escalabilidad cuando se estudian instalaciones DER distribuidas.Files
1000512.pdf.pdf
Files
(16.0 kB)
| Name | Size | Download all |
|---|---|---|
|
md5:84de18b3fb2e0f0c0321c781d1b09d2c
|
16.0 kB | Preview Download |
Additional details
Additional titles
- Translated title (Arabic)
- تحسين موارد الطاقة الموزعة في شبكات التوزيع: تطبيقات تركيبات تدفق الطاقة المثلى المحدبة في شبكات التوزيع
- Translated title (French)
- Optimisation des ressources énergétiques distribuées dans les réseaux de distribution : applications des formulations de flux de puissance optimales convexes dans les réseaux de distribution
- Translated title (Spanish)
- Optimización de Recursos Energéticos Distribuidos en Redes de Distribución: Aplicaciones de Formulaciones de Flujo de Potencia Óptimo Convexo en Redes de Distribución
Identifiers
- Other
- https://openalex.org/W4365814701
- DOI
- 10.1155/2023/1000512
References
- https://openalex.org/W2106424475
- https://openalex.org/W2109364787
- https://openalex.org/W2112716483
- https://openalex.org/W2141380252
- https://openalex.org/W2916954827
- https://openalex.org/W2949979136
- https://openalex.org/W2969485470
- https://openalex.org/W3047624537
- https://openalex.org/W3048281847
- https://openalex.org/W3092774091
- https://openalex.org/W3093373022
- https://openalex.org/W3097981256
- https://openalex.org/W3105031806
- https://openalex.org/W3113424952
- https://openalex.org/W3119291157
- https://openalex.org/W3194146888
- https://openalex.org/W3212248456
- https://openalex.org/W3216986292
- https://openalex.org/W4200204999
- https://openalex.org/W4200217812
- https://openalex.org/W4220969348
- https://openalex.org/W4223943979
- https://openalex.org/W4226511604
- https://openalex.org/W4280568759
- https://openalex.org/W4281398580
- https://openalex.org/W4285791973
- https://openalex.org/W4289295363
- https://openalex.org/W4289855225
- https://openalex.org/W4292581498
- https://openalex.org/W4293156134
- https://openalex.org/W4295919221
- https://openalex.org/W4297985144
- https://openalex.org/W4297989330
- https://openalex.org/W4307816813
- https://openalex.org/W4308498116
- https://openalex.org/W4377862126