Optimal Connection of Offshore Wind Farm with Maximization of Wind Capacity to Power Systems considering Losses and Security Constraints

The technical, economic, and environmental constraints related to the construction of new transmission lines are complex issues related to the definition of points for connecting new offshore wind farms (OWFs) to the grid. In this context, it has become an important research topic to choose the best OWF connection point to a power system, among some geographically close to each other within a given region, aiming at ensuring maximum generation capacity of the wind farm and safe use of existing transmission network. The objective of this work is to present a methodology to determine the optimal OWF connection point in a power system, with maximum penetration of firm wind power and minimum loss, considering security constraints related to the “N−1” contingency criterion, exchange limits between areas, and a strategy to reduce the number of constraints in the optimization problem. The algorithm is modeled using a Mixed Integer Nonlinear Programming (MINLP), and it is evaluated in a tutorial system and three well-known other networks from literature: IEEE 14-Bus, IEEE RTS-79, and Southern Brazilian System

Optimal planning of electrical infrastructure of large wind power plants

Предмет истраживања докторске дисертације је развој математичких модела за унапређење економских и техничких услова планирања и изградње ветроелектране. Основни доприноси су следећи: 1. Развијен је математички модел за оптимизацију избора ветроагрегата. У дисертацији је развијен математички модел за оптимизацију избора ветроагрегата за познату статистику ветра. Основни елементи при оптимизацији избора ветроагрегата су: висина стуба, пречник ветротурбине и називна снага ветрогенератора. Модел врши варијацију кључних параметара и прорачун укупних актуелизовних трошкова ветроагрегата, као и годишње производње електричне енергије. У наведеном оптимизационом проблему постоје техничка ограничења у погледу минималних и максималних вредности параметара које намеће сам произвођач опреме, а може уважити и ограничења која намеће локација на којој се планира изградња ветроелектране. Модел је базиран на генетском алгоритму који након одређеног броја итерација долази до оптималних резултата који задовољавају функцију циља и задата ограничења. Развијени алгоритам и математички модел имају општи карактер тј. применљиви су за оптимизацију избора ветроагрегата за локације са различитим параметрима ветра. Применом модела обезбеђује се оптимално искоришћење потенцијала ветра на одређеној локацији, а тиме и већи профит власнику ветроелектране. Као улазни подаци користе се параметри Вејбулове статистике ветра и висински коефицијент смицања ветра. На конкретним примерима ветроелектрана на локацијама са различитим параметрима Вејбулове статистике ветра демонстрирана је практична употребљивост предложеног математичког модела. 2. Развијен је математички модел за прорачун оптималне површине попречног пресека проводника у интерној кабловској мрежи ветроелектране. Како просторни распоред ветроагрегата у ветроелектранама велике снаге карактерише релативно велика међусобна удаљеност, дужина кабловске колекторске мреже може бити неколико десетина, па и стотина километара, те су губици електричне енергије у њој значајни. Коришћење већих пресека каблова у односу на техничке захтеве је често оправдано и може обезбедити значајно повећање ефикасности, као и боље енергетске показатеље електране. Модел развијен у дисертацији врши прорачун оптималног пресека кабла на који је прикључен произвољан број ветроагрегата, кроз оптимизацију односа инвестиционих и експлоатационих трошкова тј. трошкова услед губитака по јединици дужине кабла. С обзиром на то да се инвестициони трошкови издвајају на почетку, односно у фази изградње ветроелектране, а трошкови услед губитака се генеришу током експлоатације, врши се актуелизација трошкова, односно користи се динамички економски модел. Предност представљеног модела је што су прорачуни оптималне топологије и пресека каблова распрегнути, односно могу се решавати одвојено. Применом развијеног модела у планерској фази развоја пројекта ветроелектране може се оптимизовати сваки од фидера на који је прикључен произвољан број ветроагрегата. На конкретном примеру ветроелектране у Банату показано је да се оптималним избором пресека каблова могу значајно смањити трошкови производње, односно повећати укупан профит током животног века ветроелектране. 3. Развијен је математички модел за избор оптималног напонског нивоа и оптималне тачке прикључења ветроелектрана великих снага на преносну мрежу. Избор оптималне тачке прикључења ветроелектране на преносну мрежу представља захтеван задатак који мора обухватити бројне факторе. У великом броју случајева у погледу прикључења ветроелектране на преносну мрежу постоје конкурентне тачке прикључења, па се поставља питање избора оптималне тачке у којој ће ветроелектрана бити прикључена и Резиме iv Докторска дисертација Ана Петровић пласирати произведену електричну енергију током експлоатације. Потенцијалне тачке прикључења могу се разликовати по удаљености, али и у погледу напонског нивоа, па се избор тачке прикључења проширује и на избор напонског нивоа на који ће бити прикључена ветроелектрана. Развијени модел врши прорачун укупних актуелизованих инвестиционих и експлоатационих трошкова прикључења на преносну мрежу, у функцији удаљености од прикључне тачке. Поред трошкова одржавања, у експлоатационе трошкове су сврстани и трошкови неиспоручене електричне енергије услед нерасположивости мреже. Oптималан напонски ниво и оптимална тачка прикључења одређени су прорачуном критичних удаљености конкурентних прикључних тачака ветроелектране одређене инсталисане снаге, за које су трошкови прикључења једнаки. Развијени математички модел омогућава операторима преносног система, као и инвеститорима, да оптимално сагледају и планирају прикључење ветроелектране на преносну мрежу. На примеру реалног инжењерског проблема прикључења ветроелектране Чибук 1 у јужном Банату демонстрирана је практична употребљивост развијеног математичког модела. 4. Развијен је лабораторијски модел темељног уземљивача ветроагрегата за експериментално одређивање карактеристика уземљивача ветроагрегата. Нарочита пажња у току изградње ветроелектране посвећује се пројектовању уземљивачког система. У кабловском рову заједно са енергетским кабловима полажу се бакарна ужад која повезују темељне уземљиваче ветроагрегата. Темељни уземљивач ветроагрегата изводи се полагањем уземљивача у бетонски темељ, лоциран под површином земље, у облику затворених контура (прстенова) од бакарних трака које се спајају са арматуром у темељу. Електрична својства оваквог уземљивача су одређена геометријом уземљивача, карактеристикама бетона, арматуре, саставом тла и стањем тла (доминантно садржајем влаге). Због своје сложене конструкције, темељни уземљивач ветроагрегата је веома тешко математички моделовати. Ради одређивања карактеристика уземљивача које су од значаја за његово димензионисање развијен је физички модел темељног уземљивача ветроагрегата, који представља еквивалент реалном моделу уземљивача комерцијалног произвођача. Уземљивач је положен у тло чије су карактеристике у погледу електричне проводности вариране. Анализирани су резултати добијени мерењима на умањеном моделу уземљивача.The subject of the doctoral dissertation is development of mathematical models for the improvement of economic and technical conditions of planning and construction of wind farms. The main contributions are the following: 1. A mathematical model for optimal wind turbine selection has been developed. In the dissertation, a mathematical model for optimal wind turbine selection, for known wind statistics, was developed. The main elements for wind turbine optimization are: the hub height, the wind turbine diameter, and the wind turbine rated power. The model varies key parameters and calculates the total wind turbine actualization costs, as well as the annual electricity production. In the mentioned optimization problem, there are technical limitations regarding the minimum and maximum values of parameters imposed by the equipment manufacturer. The model is based on a genetic algorithm which, after a certain number of iterations, leads to optimal results that satisfy both, the optimisaton function and the given constraints. The developed algorithm and mathematical model have a general character ie. can be used to optimize WT selection for locations with different wind parameters. The application of the model ensures optimal use of wind potential at a certain location, and also provides a higher profit to the owner of the wind farm. The parameters of the Weibull wind statistics and the wind shear coefficient are used as input data. The practical applicability of the proposed mathematical model was demonstrated on specific examples of WPPs at locations with different Weibull parameters. 2. A mathematical model for the calculation of the optimal cross-section of cables of the wind farm internal cable network has been developed. As the spatial arrangement of wind turbines in wind farms is characterized by a relatively large distance from each other, the length of the cable collector network can be several tens or even hundreds of kilometers, so electricity losses are significant. The use of larger cable cross-sections in relation to technical requirements is often justified, and can provide a significant increase in efficiency and better energy performance of the power plant. The model developed in the dissertation calculates the optimal cable cross-section to which an arbitrary number of wind turbines is connected, through the optimization of the ratio of investment and operating costs, i.e. costs due to losses per unit length of cable. Considering that investment costs are segregated at the beginning i.e. in the phase of wind power plant construction, and the costs of losses are generated during operation in each year, the costs are actualized i.e. a dynamic economic model is used. The advantage of the presented model is that the calculations of the optimal topology and cable crosssection are decoupled i.e. they can be solved separately. By applying the developed model in the planning phase of the wind power plant project, each of the connection feeders to which an arbitrary number of WTs are connected can be optimized. On specific example of wind power plant in Banat region is shown that the optimal choice of cable cross-section can significantly reduce production costs, i.e. increase the total profit during the lifetime of the wind farm. 3. A mathematical model for the selection of the optimal voltage level and the optimal point of connection of large wind power plants to the transmission network has been developed. The selection of the optimal wind farm connection point is a demanding task that must include many parameters. In many cases of connecting a wind farm to the transmission network there are competing connection points, so the question is how to choose the optimal point at which wind farm will be connected and deliver the produced energy during operation. Potential connection points can differ in distance, but also in terms of voltage level, so the choice of connection point is extended in terms of choosing the voltage level to which the wind farm will be connected. The developed model calculates the total actualized investment and operating costs of connection to the transmission network, as a function of the distance from the connection point. In Abstract vi Докторска дисертација Ана Петровић addition to maintenance costs, operating costs also include the costs of undelivered electricity due to the unavailability of the network. The optimal voltage level and the optimal connection point are determined by calculating the critical distances of competing connection points for wind power plant of a certain rated power, for which the connection costs are equal. The developed mathematical model enables transmission system operators, as well as investors, to optimally consider and plan the connection of wind power plants to the transmission network. The practical applicability of the proposed mathematical model is demonstrated on the example of a real engineering problem of connecting the WPP Čibuk 1, located in South Banar region. 4. A laboratory model of the wind turbine grounding has been developed for the experimental determination of the grounding system characteristics. During the construction of the wind power plant, special attention is given to the design of the earthing system. Copper ropes are laid in the cable trench together with the power cables, which connect the basic earthing conductors of the wind turbine. The basic earthing of the wind turbine is performed by laying the earthing in a concrete foundation, located below the ground surface, in form of closed contours (rings) of copper strips that are connected to the reinforcement in the foundation. The electrical properties of such an earthing system are determined by the earthing conductor geometry, concrete characteristics, reinforcement characteristics, soil composition and soil condition (dominantly moisture content). Due to its complex construction, the grounding of the wind turbine is very difficult to model mathematically. In order to determine the characteristics of the earthing system that are important for its sizing, a physical model of the wind turbine earthing system has been developed, which is equivalent to the real model of the earthing system of a commercial manufacturer. The grounding conductor is laid in the ground whose characteristics in terms of electrical conductivity vary. The results obtained by measurements on a scale model of the earthing system were analyzed

Determinação do ponto ótimo de conexão de parques eólicos offshore a sistemas interligados considerando a maximização da capacidade de geração de energia

Due to growing environmental issues and depletion of conventional energy sources, alternative energy sources, especially renewable ones, are receiving more attention than ever. In this sense, wind energy is one of the most prominent in the context of investments in renewable sources in Brazil and globally. In some cases, regions with high potential for wind generation are far from load centers and are located in a maritime environment; in such situations, it makes sense to install wind farms in an offshore environment. In this scenario, a comprehensive analysis is required to determine the optimal connection point for Offshore Wind Farms (OWF) to the network to ensure maximum wind generation penetration safely and efficiently, taking into account such aspects as load profile, conventional system power generations, impacts caused by intermittent renewable energy sources in grid operation, capacity constrains of the transmission line and wind speed behavior of all the potential regions under study. In this context, this paper aims to propose two methodologies for determining the optimum OWF connection point to interconnected systems while considering how to maximize the capacity for power generation. The first methodology proposes a formulation based on Nonlinear Programming with Linear Power Flow (NLP-DC), where it is possible to observe the wind generation penetration path to the system until the maximum viable value is obtained, considering the minimization of losses in the transmission system and presenting an efficient strategy for the incorporation of active restrictions regarding the “N-1” safety criterion. The second method addresses a computationally efficient optimization problem, which proposes a two-step formulation, both based on Nonlinear Programming (NLP) with a Nonlinear Power Flow approach, which determines the optimum OWF connection point, with their respective maximum wind generation penetration and generating capacity values, considering all contingency scenarios (“N-1” safety criterion), modeled here with the help of the Benders Mathematical Decomposition technique. The proposed methodologies are applied in small, medium and large test systems in order to explore their characteristics and their contributions. Studies in small and medium-sized systems allow for a more tutorial analysis of the problem, while studies of real large systems are able to demonstrate the applicability and effectiveness of the proposed methodology in practical cases.Devido às crescentes questões relacionadas ao meio ambiente e ao esgotamento de fontes de energia convencionais, as fontes alternativas de energia, principalmente as renováveis, estão recebendo mais atenção do que nunca. Nesse sentido, a energia eólica é uma das que apresentam maior destaque na conjuntura de investimentos em fontes renováveis no cenário brasileiro e mundial. Em alguns casos, as regiões com alto potencial de geração eólica estão longe dos centros de carga e localizadas em ambiente marítimo; em situações como essa, torna-se interessante a instalação de parques eólicos em ambiente offshore. Nesse cenário, é necessária uma análise abrangente para se determinar o ponto ótimo de conexão de Parques Eólicos Offshore (PEO) à rede principal que garanta a máxima penetração de geração eólica, de forma segura e eficiente, levando-se em consideração questões como o perfil de carga, as gerações convencionais de energia existentes no sistema, os impactos causados pela inserção de fontes de energia renováveis intermitentes na operação da rede, as restrições relacionadas às capacidades das linhas de transmissão e o comportamento da velocidade do vento de todas as regiões potenciais em estudo. Nesse contexto, este trabalho tem por objetivo propor duas metodologias para a determinação do ponto ótimo de conexão de PEO a sistemas interligados considerando a maximização da capacidade de geração de energia. Na primeira metodologia é proposta uma formulação baseada em Programação Não Linear associada a um Fluxo de Potência Linearizado (PNL-CC), em que é possível observar a trajetória de penetração de geração eólica ao sistema até se obter o valor máximo viável, considerando-se a minimização de perdas no sistema de transmissão e apresentando uma estratégia eficiente para a incorporação das restrições ativas referentes ao critério de segurança “N-1”. O segundo método aborda um problema de otimização computacionalmente mais eficiente, em que se propõe uma formulação dividida em duas etapas, ambas baseadas em Programação Não Linear e com uma abordagem de Fluxo de Potência CA (PNL-CA), que determina o ponto ótimo de conexão do PEO, com seus respectivos valores máximos de penetração de geração eólica e de capacidade de geração, considerando-se todos os cenários de contingência (critério de segurança “N-1”), modelados através da técnica de Decomposição Matemática de Benders. As metodologias propostas são aplicadas a sistemas-testes de pequeno, médio e grande porte, de forma a explorar suas características e suas contribuições. Os estudos realizados em sistemas de pequeno e médio porte permitem uma análise do problema com cunho mais tutorial, enquanto que o estudo de sistemas reais de grande porte são capazes de demonstrar a aplicabilidade e eficácia das metodologias propostas em casos práticos.CAPES - Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superio