Development of Models and a Unified Platform for Multiphase Load Flow Analysis and Dynamic State Estimation of Large Distribution Systems with Secondary Grids

Cette thèse porte sur la modélisation des différentes composantes des réseaux de distribution pour les études d'écoulement de puissance multiphasé et pour l'estimation d'état. Sans utiliser les modèles appropriés, il n'est pas possible d'obtenir des résultats précis dans l'analyse des réseaux de distribution ou des systèmes électriques en général. La thèse présente aussi un algorithme d'estimation d'état générique pour les réseaux de distribution. La performance de l'algorithme est étudiée en détail en considérant les particularités des réseaux de distribution par opposition aux réseaux de transports. La thèse commence par la discussion sur la modélisation des régulateurs de tension pour l'écoulement de puissance en utilisant la méthode de Newton. En tenant compte des spécifications techniques de ces appareils, une nouvelle approche de modélisation est présentée en utilisant la formulation d'analyse nodale augmentée modifiée (MANA) et la méthode de Newton. Les résultats obtenus montrent que la technique proposée donne des résultats satisfaisants lorsque les réglages et les spécifications techniques des régulateurs sont considérés. Ensuite, une nouvelle méthode pour modéliser les machines asynchrones (IMs) dans l'écoulement de puissance déséquilibré est démontrée. La nouvelle approche de modélisation est encore basée sur la formulation de MANA et utilise la méthode de Newton. La nouvelle méthode peut être utilisée pour des IMs à cage simple ou double. Il permet de modéliser l'IM avec la puissance électrique, la puissance mécanique ou le couple mécanique comme contrainte. Le glissement de l'IM devient une variable d'écoulement de puissance et il est calculée itérativement. La puissance réactive est fonction de la puissance active et du glissement ou de la puissance active et de la tension de l'IM, donc il n'y a aucun besoin de fixer la puissance réactive. La solution proposée réduit le nombre d'itérations considérablement par rapport aux méthodes de solution à point fixe. La méthode présentée n'est pas actuellement disponible dans la littérature. Finalement, une approche de modélisation systématique est établie pour représenter les éoliennes (WTGs) de Type-III et Type-IV dans l'analyse d'écoulement de puissance multiphasée et déséquilibrée. Les contraintes sont écrites en fonction des composantes symétriques des courants injectés par les WTGs.

Abstract

This thesis is on the modeling of various components of distribution systems for multiphase load flow studies and state estimation. Without employing proper models, it is not feasible to obtain accurate results in the analysis of distribution networks or power systems in general. The thesis presents also a generic state estimation solver for distribution networks. The performance of the solver is investigated in detail considering the particularities of distribution networks as opposed to transmission grids. The thesis starts by discussing the modeling of step voltage regulators for load flow using Newton's method. By taking into account the technical specifications of these devices, a new modeling approach is presented within the modified augmented nodal analysis (MANA) formulation and Newton's method. The results obtained show that the proposed technique gives satisfactory results as far as the settings and technical specifications of the regulators are concerned. Afterwards, a new method to model Induction Machines (IMs) in unbalanced load-flow calculations is demonstrated. The new modeling approach is again based on the MANA formulation and employs Newton's method. The new method can be used for single and double cage IMs. It allows modeling the IM with electrical power input, mechanical power or mechanical torque output. The slip of the IM becomes a load-flow variable computed iteratively. The reactive power is a function of real power constraint and slip or voltage solution of the IM, therefore there is no need to fix the reactive power input. The proposed solution reduces the number of iterations radically as compared to fixed-point solution methods. The presented formulation is not currently available in the literature. Finally, a systematic modeling approach is established to represent Type-IV and Type-III wind turbine generators (WTGs) in multiphase and unbalanced load flow analysis. The proposed approach integrates the constraints based on the sequence components of the injected currents from WTGs. The proposed model for WTGs performs well under unbalanced conditions.