A contribution to the optimal planning and exploitation of distribution networks with nonlinear loads and sources using metaheuristic methods in order to minimize the harmonic voltage and current distortion

[М. Ј. Миловановић]

PDF/A (285 listova)

Докторска дисертација се бави проблемима оптималног планирања и експлоатације дистрибутивних мрежа с нелинеарним потрошачима и изворима применом метахеуристичких метода. У оквиру оптималног планирања дистрибутивних мрежа, разматрани су проблеми одређивања оптималних локација и снага дистрибуираних генератора (ДГ) и оточних кондензаторских батерија (КБ), као и оптималних локација и параметара пасивних филтера за смањење виших хармоника. Оптимална регулација напона и токова реактивних снага (Volt/Var регулација) у дистрибутивним мрежама с израженим хармонијским изобличењима је третирана као експлоатациони проблем. За решавање наведених оптимизационих проблема, у дисертацији је по први пут предложен и примењен хибридни PPSOGSA алгоритам, настао комбинацијом фазорске оптимизације ројем честица (PPSO) и гравитационог претраживачког алгоритма (GSA). У овој хибридној верзији, контролни параметри који утичу на претраживачке способности алгоритма (коефицијенти убрзања c1 и c2) моделирани су преко фазног угла коришћењем синусних и косинусних функција. У циљу поређења резултата, истовремено с PPSOGSA тестирано је још 10 метахеуристичких метода оптимизације. Тестирање метода је извршено на стандардним IEEE тест системима из литературе, при чему је усвојено да су поједини потрошачи и извори нелинеарни. Коришћени су типични хармонијски спектри струја претварача који се често срећу у индустријским постројењима. Оцена метода је извршена на основу статистичке евалуације резултата добијених у више узастопних извршавања свих метода. Показано је да предложени алгоритам има боље перформансе у поређењу с постојећим методама из литературе, односно да даје квалитетнија решења, с бржом конвергенцијом и да има боље статистичке показатеље при решавању разматраних проблема планирања и експлоатације дистрибутивних мрежа. Поред тога, утврђено је да се адекватном алокацијом ДГ и КБ – у фази планирања, и координисаним управљањем регулационих ресурса и ДГ – у фази експлоатације, хармонијска изобличења могу смањити и/или одржавати у дозвољеним границама. За потребе прорачуна хармонијских токова снага (ХТС), који се користи за евалуацију функције циља, развијен је програм на бази методе назад/напред (BFS). Верификација резултата прорачуна ХТС је извршена поређењем с расположивим резултатима из литературе и резултатима добијеним применом специјализованих софтверских пакета (ETAP и

The doctoral dissertation deals with the problems of optimal planning and exploitation of distribution networks with nonlinear loads and sources using metaheuristic methods. In the context of optimal planning of distribution networks, the problems of determining the optimal locations and sizes of distributed generators (DGs) and shunt capacitor banks (CBs), as well as the optimal locations and parameters of passive power filters to reduce harmonics are considered. Optimal voltage and reactive power control (i.e. Volt/Var control) in distribution networks with pronounced harmonic distortions is treated as the exploitation problem. In the dissertation, a new hybrid PPSOGSA algorithm based on the phasor particle swarm optimization (PPSO) and gravitational search algorithm (GSA) is proposed and applied for the first time to solve the aforementioned optimization problems. In this hybrid version, the control parameters that affect the search capabilities of the algorithm (the acceleration coefficients c1 and c2) are modeled through a phase angle using sine and cosine functions. In order to compare the results of the proposed algorithm with those of other methods, ten other metaheuristic optimization methods are tested simultaneously with PPSOGSA. The methods are tested on standard IEEE test systems from the literature, where it is assumed that some of the loads and sources are nonlinear. Typical harmonic spectrums of converter currents are used, which usually appear in industrial plants. The evaluation of the methods is performed on the basis of the statistical evaluation of the results obtained in several consecutive executions of all methods. It is shown that the proposed algorithm has better performance compared to the existing methods from the literature, i.e. it provides better solutions, with faster convergence speed, and has better statistical indicators in solving the considered problems of distribution network planning and exploitation. In addition, it is found that by adequate allocation of DGs and CBs – in the planning phase, and coordinated control of voltage regulation resources and DGs – in the exploitation phase, harmonic distortions can be reduced and/or maintained within the allowed limits. For the purposes of calculation of the harmonic power flow (HPF), which is used to evaluate the objective function, a program based on the backward/forward sweep (BFS) method is developed. Verification of results of HPF is performed by comparison with available results from the literature and results obtained using specialized software packages (ETAP and PCFLO)

дистрибуирани генератор, дистрибутивна мрежа, кондензаторска батерија, оптимална локација, оптимална регулација напона, оптимална снага, пасивни филтер, хармоници, хибридни алгоритам

capacitor bank, distributed generator, distribution network, harmonics, hybrid algorithm, optimal location, optimal size, optimal voltage regulation, passive filter

Текст