AC-DC hybrid distribution network : design and planning for future grid

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

The initial journey of power distribution system began with the DC form of the power network. Soon the paradigm shift toward the rival AC power network was observed, basically due to the invention of the transformer for efficient voltage level conversion and on the other hand also due to fewer drawbacks in DC power networks. Ultimately the AC power system became the choice for all levels of power system such as generation, transmission, sub-transmission and distribution and dominated the market for a long time. This battle of the currents, as it is referred to, was reignited due to the advancement in the power electronics area and the introduction of efficient and economical distributed energy resources (DER) in the power distribution system.
A hybrid AC-DC distribution network is an alternative solution to transformation power distribution network into more intelligent, economical and efficient system. This area of hybrid AC and DC distribution network has witnessed a number of research efforts in recent decade. This is mainly because DC power is increasing its footnote, not only in the generation side due to the integration of renewable/alternative energy sources, but also showing its presence in consumer load/demand side with modern and sophisticated appliances such as personal computers, laptops, mobiles, LED lighting, etc. As technology develops, a major issue for system designers in this field is ensuring the operation and stability of the hybrid AC and DC distribution network. In hybrid AC and DC distribution network, Voltage Source Converter (VSC) will be replacing the electrical transformers of the AC counterpart for proper interconnection of DC loads, solar and wind energy sources which requires AC/DC/DC conversion at different stages of integration. VSC offers different control schemes such as independent control of active and reactive power of the possible system operation in the hybrid AC-DC distribution network layout. AC-DC distribution network is one of the cost-effective ways to aggregate a huge amount of renewable distributed energy sources on one side and on the other side connects it to the main AC network through a common DC network using the VSC. In AC-DC distribution network layout, DC network operating as an intersection and/or a parallel path to the existing AC network.
In order to fully take the advantages of hybrid AC and DC distribution network, one of the approaches is to minimization of the network power losses by applying any mechanism for the network restructuring through network reconfiguration. In the mentioned approach, the original topology of the network is altered by controlling operation of any device integrated within the network for the said purpose. One of the devices that can be used for this purpose is to use the tie switches in the network.
In the network, this tie switch can be a soft open point (SOPs) which is a power electronic device installed in place of the normally-open points in electrical power distribution networks. One of the advantages of the SOP is its ability to provide active power flow control, reactive power compensation and voltage regulation in the hybrid AC and DC distribution network. In this study, the use of AC-SOP and DC-SOP for the controlled network reconfiguration of the hybrid AC and DC distribution networks are implemented and analyzed. A steady state power flow analysis is conducted, considering the network power loss minimization in the distribution network due to network reconfiguration and voltage profile improvement. This framework considered the combination of both SOP control and network reconfiguration to quantify the benefits in term of network power loss minimization. A case study is performed by combining two IEEE 33-bus distribution network, modifying it into hybrid AC and DC distribution network. The analysis of the combination of AC-SOP and DC-SOP control and network reconfiguration shows an improvement in network loss minimization by operating SOP for network reconfiguration than the original network topology.

국문 초록 (Abstract)

전력계통은 초기에 직류 기반으로 구축되었으나, 곧 교류 전력계통으로의 패러다임의 변화가 발생하였다. 이는 교류 전력계통에서 효율적인 전압 변성이 용이한 변압기의 적용이 가능해졌기 때문이다. 결과적으로 발전, 송전, 변전, 그리고 배전과 같은 전력계통의 전 분야는 긴 세월 동안 교류를 기반으로 발전해왔다. 하지만 최근 효율적이며 환경 친화적인 분산전원의 도입과 전력전자 분야의 발전으로 인해 전류 전쟁이 다시금 시작되고 있다. 복합 AC-DC 배전계통은 스마트하고 환경친화적이며 효율적인 시스템으로의 배전계통을 변화시키기 위한 대책으로 주목받고 있다. 복합 AC-DC 배전계통에 대한 연구는 최근 매우 활발하게 이루어지고 있다. 이는 주로 직류 전력이 친환경 에너지원의 연계에 따른 발전 측면과 PC, 노트북, 휴대폰, LED 조명과 같은 현대적이고 정교한 장치들에 해당하는 부하/수요 측면에서 모두 큰 장점을 갖기 때문이다. 기술이 발전함에 따라, 해당 분야에서의 계통 운영자의 주요 이슈는 복합 AC-DC 배전계통의 안정성과 운영을 보장하는 것이다. 복합 AC-DC 배전망에서는 직류 부하와 AC/DC/DC 변환이 요구되는 태양광 및 풍력 발전시스템의 연계에 적절하도록 Voltage Source Converter (VSC)가 교류 배전망에서의 변압기를 대체하고 있다. VSC는 계통 운영을 위한 유효 및 무효 전력의 독립 제어와 같이 복합 AC-DC 배전망에 다양한 제어방식을 제공할 수 있다. 복합 AC-DC 배전계통은 한 쪽에는 대용량의 신재생 에너지원 기반 분산전원을 연계하고, 다른 한 쪽에는 VSC를 사용하여 공통 직류 계통과 주교류 계통에 연계하는 경제적인 방법 중 하나이다. 복합 AC-DC 배전계통에서, 직류 계통은 기존의 교류 계통과 병렬 혹은 교차 경로로써 운영된다.
복합 AC-DC 배전계통의 장점을 최대한 활용하기 위한 접근 방법 중 하나는 계통 재구성을 통해 계통의 구조를 변환하는 임의의 메커니즘을 적용함으로써 계통 전력 손실을 최소화하는 것이다. 언급된 방법에서, 계통 본래의 토폴로지는 언급된 목적을 위해서 계통 내에 존재하는 임의의 장치의 동작을 제어함으로 써 변경된다. 해당 목적을 위해서 사용될 수 있는 장치들 중 하나는 계통 내의 타이 스위치를 사용하는 것이다. 본 계통에서 해당 타이 스위치의 역할은 배전 계통에서의 상시 개방지점에서 설치된 전력전자 기기인 Soft Open Point(SOPs)가 수행할 수 있다. SOP의 장점은 복합 AC-DC 배전계통에서 유효 전력 조류 제어, 무효 전력 보상, 그리고 전압 조정의 능력을 갖 추고 있다는 것이다. 본 연구에서, 복합 AC-DC 배전계통에서 제어된 계통 재구성을 위한 AC-SOP 와 DC-SOP의 사용이 구현되고 분석되었다. 정상상태 전력조류 분석은 네트워크 재구성 및 전압 프로파일 향상으로 인한 배전계통의 전력손실 최소화를 고려하여 수행되었다. 본 연구에서는 계통 전력 손실 최소화의 측면에서 얻을 수 있는 이점을 검증하기 위하여 두 종류의 SOP 제어 및 계통 재구성의 조합을 고려하였다. 사례 연구는 2개의 IEEE 33-모선 배전계통을 연계시키고 복합 ACDC 배전계통으로 변환시킨 모의계통에서 진행되었다. AC-SOP 및 DC-SOP 제어 및 계통 재구성의 조합을 통한 분석은 본래의 계통 토폴로지보다 계통 재구성을 위한 SOP 동작으로 인한 계통 전력 손실의 최소화가 더욱 잘 이루어짐을 확인할 수 있다.

목차 (Table of Contents)

• I Introduction 1
• 1 Description of Hybrid AC-DC Distribution network 2
• 2 Objectives and contributions of this work 6
• 3 Thesis outline 7
• II RelatedWorks 9
• 1 Introduction 9
• 2 Challenges of Distribution Network 9
• 3 Hybrid AC-DC distribution Network 9
• 4 Network reconfiguration 11
• 5 Soft Open Points 12
• 6 Summary 16
• III System Modeling 17
• 1 Introduction 17
• 2 Converter modeling 17
• 2.1 Converter technology 17
• 2.1.1 Line-Commutated Current Source Converters (CSCs) 18
• 2.1.2 Voltage Source Converters (VSCs) 18
• 2.2 VSC Modeling 19
• 2.3 VSC Modes of operations 20
• 2.3.1 AC Side operating modes 20
• 2.3.2 DC Side operating modes 23
• 2.3.3 DC Distributed Voltage Control mode 23
• 2.3.4 Converter losses modeling 23
• 3 AC-DC hybrid distribution network modeling 25
• 4 Soft open point modeling 27
• 4.1 AC-SOP 27
• 4.2 DC-SOP 28
• 4.3 SOP modes of operation 28
• 4.3.1 AC-SOP 28
• 4.3.2 DC-SOP 33
• 5 Summary 34
• IV Problem formulation and the power flow algorithm for AC-DC hybrid distribution network 35
• 1 Introduction 35
• 2 System constraints 36
• 2.1 Security constraints for voltage and load line power 36
• 2.2 Constraints of the DER operation 36
• 2.3 Constraints of the power trading with grid 37
• 2.4 Constraints in back-to-back SOP 37
• 3 A Sequential power flow algorithm for the hybrid AC-DC distribution network 38
• 3.1 AC network modeling 39
• 3.1.1 AC load modeling 40
• 3.2 DC network modeling 40
• 3.2.1 DC load modeling 41
• 3.3 Proposed AC-DC power flow algorithm 42
• 3.3.1 Advantages of sequential power flow over unified power flow approaches 46
• 3.4 Comparison of proposed power flow algorithm 47
• 4 Summary 47
• V SOP selection criteria and simulation results 48
• 1 Introduction 48
• 2 Network configuration using SOP 49
• 2.1 Basic Scheme for network reconfiguration 49
• 2.2 SOP/loop selection algorithm for network re-configuration 50
• 3 Case Studies 52
• 3.1 Case I: Two IEEE 33-node distribution networks 53
• 3.1.1 System description 53
• 3.1.2 Test Cases 59
• 3.1.3 Simulation Results 59
• 3.2 Case II: Two IEEE 16 node distribution networks 60
• 3.2.1 System description 60
• 3.2.2 Test Cases 60
• 3.2.3 Simulation Results 70
• 4 Summary 70
• VI Conclusion and Future Works 74
• 1 Conclusion 74
• 2 Future Work 76
• References 77
• Abstract in Korean 87