Desenvolvimento de um modelo de programação linear inteira mista para o problema do gerenciamento energético de microrredes

Tese (doutorado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica, Florianópolis, 2015Esta tese apresenta um modelo matemático para o problema de Gerenciamento Energético (GE) de uma Microrrede (MG) por meio de um modelo matemático de Programação Linear Inteira Mista. No problema do GE, o objetivo é determinar uma política de operação que minimiza, ao longo de um horizonte de planejamento, o custo de operação, sujeito às restrições técnicas e econômicas. Propõe-se um modelo detalhado para a microturbina (MT) e Célula a Combustível (CC), nas quais as restrições associadas a fatores como a rampas de partida e desligamento, mínimo tempo de operação ou inatividade, limites de geração, e várias peculiaridades que não foram devidamente considerados na literatura são estudadas. Outra importante contribuição desta tese é a modelagem de um sistema de armazenamento de energia específico para o problema GE da MG, a bateria de íons de lítio, comparando-se as várias modelagens encontradas na literatura. O modelo proposto também considera uma representação detalhada das demandas críticas, deslocáveis e com possibilidade de descontinuação, juntamente com um novo conceito de demanda difusas, que são aspectos importantes no conceito de MG. Para analisar a modelagem proposta, uma MG é utilizada juntamente com uma MT, uma CC, uma bateria, geradores eólicos e fotovoltaicos, demandas críticas e controláveis, com a opção de operar conectada ou ilhada à rede principal. Os casos de estudo são separados em três grandes grupos para se verificar as peculiaridades do GE da MG, a modelagem de cada Recurso Energético Distribuído (RED) e a modelagem da demanda controlável. Os resultados indicam que o modelo é adequado para o GE da MG.Abstract : This thesis presents a mathematical model for the Energy Management (EM) problem of a Microgrid (MG) by means of a Mixed Integer Linear Programming (MILP) approach. In the EM problem, the objective is to determine a generation and a controllable load demand schedule that minimizes, over a planning horizon, the operation cost subject to economical and technical constraints. It is proposed a detail modelling for Microturbines (MTs) and Fuel Cells (FCs), where the constraints associated with such factors as the ramps, minimum up and downtime, generation limits, and various peculiarities that have not been adequately considered in literature. Other important contribution of this thesis is the modelling of a specific energy storage system to the MG EM problem, the lithium-ion battery, comparing various approaches. The proposed model also considers a detailed representation of critical, reschedulable and curtailable loads, along with a new concept of diffuse loads, which could be important elements in the MG concept. To analyses the proposed modelling, a MG is used along with a MT, a FC, a battery, wind and photovoltaic generators, with the critical and controllable load demands, connected or island to the main grid. The study cases are divided into three big groups to verify the peculiarities of the MG EM, each Distributed Energy Resource (DER) and controllable load demand modelling. The results indicate that the model is adequate for the MG EM

Alocação ótima de chaves telecomandadas em redes de distribuição com multi-objetivo via algoritmos genéticos de Pareto

Dissertação (mestrado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico. Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica.O presente trabalho tem como objetivo a elaboração de uma metodologia para a alocação ótima de chaves de manobras telecomandadas, em alimentadores do sistema de distribuição, com e sem geração distribuída, com múltiplos objetivos sendo avaliados, visando a melhoria dos índices de continuidade coletivos e dos consumidores especiais. Inicialmente é feita uma redução no número de nós dos alimentadores, sendo mantidas suas características, visando a melhoria do desempenho do cálculo dos índices de continuidade e o fluxo de carga. Os dados das taxas de falhas e tempos de reparos dos trechos dos alimentadores, utilizados para calcular os índices de continuidade, são adquiridos via histórico de falhas do sistema de distribuição em estudo. Através da construção de uma matriz de alcance, juntamente com os tempos de reparos, as taxas de falhas, o número de consumidores e a carga, é possível verificar a influência dos equipamentos de proteção e manobras dentro do alimentador, e por conseqüência nos índices de continuidade. Este procedimento é realizado por meio da matriz lógico estrutural. Para cada chave de interligação entre alimentadores (chaves com posição normalmente aberta) é verificado, no esquema de operação em anel aberto, quais nós podem ser socorridos pelo alimentador que faz o socorro, através da alocação de uma chave telecomandada normalmente fechada, não violando os limites de corrente e tensão estabelecidos. Estes são os chamados pontos candidatos à transferência de carga. Esta avaliação também é feita caso uma geração distribuída possa operar ilhada ou com a possibilidade de operar em paralelo com o alimentador de socorro. O método de fluxo de carga utilizado é o método de soma de potências modificado, utilizado também quando da existência de geração distribuída no sistema de distribuição. Por fim, busca-se a otimização das posições das chaves telecomandadas normalmente abertas via um algoritmo genético muti-objetivos de Pareto, objetivando a melhoria dos índices de continuidade coletivos e individuais dos consumidores especiais, sendo validado por busca heurística exploratóriaThe present dissertation aims to develop a methodology for optimal allocation of telecontrolled switches in the distribution system feeders, with or without distribution generation, with multiple objectives being assessed, in order to improve collective and special consumers continuity index. It begins with a reduction of number of nodes in the feeders, keeping their characteristics, to improve the calculation of the reliability indexes and load flow. The data of the failure rates and repair times of the branches of feeders, which are used to calculate the reliability index, are acquired through building historical data of failures of the distribution system in study. By making a range matrix, along with the repair times, failure rates, the number of consumers and the load, it is possible to verify the influence of protective and switching equipment within the feeder, on the indices of continuity with a logical structural matrix. For each tie between feeders (switch with normally open position) in the scheme of operation in open loop, is checked which nodes can be rescued by a rescuing feeder, by allocating a remotely controlled normally closed switch, without violating voltage and current limits. These points are the candidates for load transfer. This assessment can also be made if the distributed generation is to operate islanded or with the ability to operate in parallel with the interconnecting feeder. The load flow method used is a modified sum of powers, also used when distributed generation is present in distribution system. In order to solve the optimization of the positions of normally open telecontrolled switches, a Pareto multi-objective genetic algorithm is used, with the objective of improve reliability of a set of consumers and individual priority consumers, being validated by heuristic search exploratio

A computational tool to assist energy management of electrical appliances for the residential consumer / Uma ferramenta computacional para auxiliar o gerenciamento energético de equipamentos eletroeletrônicos do consumidor residencial

Nos últimos anos, diversos pesquisadores focaram suas pesquisas nos consumidores residenciais e nos seus hábitos de consumo de energia. Aliado a isso, incentivos governamentais e avanços tecnológicos, procuram melhorar a eficiência energética dos equipamentos residenciais e sua utilização. Neste sentido, surgem as casas inteligentes que integram a comunicação entre os equipamentos da residência e, com base em informações de padrão de uso dos ambientes, buscam tornar mais eficiente e automatizado o consumo de energia pelos diversos dispositivos eletroeletrônicos no ambiente residencial. No entanto, os estudos relacionados ao gerenciamento energético do consumidor, na maioria das vezes, são efetuados por meio do deslocamento ou do controle de suas principais cargas instaladas, que dependem de cada país, clima e tarifas. Neste sentido, o consumidor tem que alterar seu hábito de consumo, o que pode gerar desconforto, minimizando o potencial e até tornando inócuos os efeitos da redução das flutuações de demanda. Por outro lado, uma parte do consumo de energia de uma residência pode ser evitada, eliminando o consumo de equipamentos eletroeletrônicos (de standby e de consumo pleno quando os mesmos não estão sendo utilizados). Desta forma, neste artigo é apresentado uma modelagem matemática para auxiliar o gerenciamento energético do consumidor em que o principal objetivo é aplicar inteligência no uso de equipamentos eletroeletrônicos (como a televisão e os diversos aparelhos conectados a mesma). O problema matemático resultante possui característica linear e inteira. Diversas análises foram efetuadas no programa computacional desenvolvido, considerando perfis de uso distintos, a possibilidade de realocação de carga e as tarifas horárias do Brasil

Lithium-ion battery modelling for the energy management problem of microgrids

International audienceThis paper presents the mathematical modelling to represent lithium-ion (li-ion) batteries in the Energy Management (EM) problem of a Microgrid (MG). It is developed a detail mathematical modelling for the li-ion batteries considering the degradation cost associated with the operation, controllable and uncontrollable charging ramps, and others limits and operating characteristics given by the manufactures. Besides the li-ion battery degradation cost, we analyse different approaches comparing models without this cost, a quadratic and a piecewise degradation cost; furthermore, it is analysed a linear cost considering the life expectancy based on the number of cycles of the battery. To analyse the proposed and different modelling approaches we include the battery model in an EM problem of a MG along with wind, photovoltaic generation resources connected to the main grid, also including a backup generator. This problem is modelled as a deterministic mixed-integer linear (or quadratic) problem, where the associated results to eleven cases are used in the analyses and comparisons to the li-ion battery modelling related to costs, constraints and the number of time steps within a 24-hour planning horizon

PMOGA Aplicado ao Problema de Alocação de Religadores Automáticos em Sistemas de Distribuição Elétrica

The planning of electrical distribution systems is essential and achallenge for Electric Power Distribution Companies along withthe need to improve the quality of the energy distribution service.As presented in the recent literature, the use of switches andprotection devices can improve the quality of the electricitydistribution service and, thus, system reliability indices. The mainobjective of this work is to propose a model to optimally allocatereclosers in distribution feeders with a Multi-Objective GeneticAlgorithm (MOGA) that is modeled, validated by exhaustivesearch, when possible, due to computational limitation, proving itseffectiveness. Among the possibilities, the Pareto Multi-objectiveOptimization Genetic Algorithm (PMOGA) was chosen for thiswork. Then, the developed methodology was applied in real feederswith and without Distributed Generation. Finally, it is concludedthat the proposed model for the allocation of reclosers is adequateto solve the problem and positively affects the reliability and canbe used in most of the current electricity distribution networks

Optimal operation of building microgrids - comparison with mixed-integer linear and continuous non-linear programming approaches

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Optimal operation of building micro-grids, comparison for both mixed linear integer and continuous non-linear approaches

International audienceThis paper presents two mathematical models to solve the Energy Management problem of a building microgrid. In particular, it proposes a deterministic Mixed Integer Linear Programming and Non-Linear Programming formulations. This article focuses on the modelling process and the optimization performances for both approaches regarding optimal operation of near zero energy buildings connected to an electric microgrid with a 24 hours time horizon. For that purpose, a general architecture of a microgrid is detailed, involving energy storage systems, distributed generation and a thermal reduced-model of the grid-connected building. A continuous non-linear model is detailed along with linearisations for the mixed-integer liner formulation. Multi-physic, non-linear and non-convex phenomenon are detailed, such as ventilation and air quality models. Results show that both approaches are relevant for solving the energy management problem of the building microgrid