title: Optimal operation of large electric power systems with HVDC interconnections

title: Βέλτιστη λειτουργία μεγάλων συστημάτων ηλεκτρικής ενέργειας με διασυνδέσεις συνεχούς ρεύματος 
Creators: name: Γουμαγιας Κωνσταντινος
Publisher: name: Technical University of Crete
Year: 2019

description: HVDC systems constitute a well-established technology used for massive electric power transmission over long distances. The term stands for High Voltage Direct Current, indicating the utilization of Direct Current (DC) as a substitute to Alternate Current (AC) in cases where the latter would prove highly problematic. The underwhelming performance of HVAC due to its high transmission losses and the significant operating cost make HVDC systems stand out in numerous applications. Moreover, in a world where the integration of renewables to the power grid becomes of utmost priority, HVDC is gradually gaining more ground in the collective attempt of the energy production decarbonisation.
Under these circumstances, HVDC systems have become a growing trend for interconnecting regional or national electrical grids in order to form a larger unified network with enhanced stability and increased efficiency. Large interregional grids give to their individual subsystems the ability to conduct power transactions with the purpose of efficiently distributing the power generated across the wider system, which is the center of this work. 
The main aspect of this thesis is the optimization of large electric power systems, consisting of subsystems that do not possess information about the operating state of each other. The individual systems are interconnected by utilizing HVDC transmission lines, which allow them to exchange power in the attempt to achieve the global minimum operating cost. First, a reference is made to the properties, benefits and weaknesses of HVDC technology, along with its role in the today’s world. We present the fundamental technologies behind its operation while providing a glimpse of their characteristics. Additionally, we give an overview of the power flow (PF) and optimal power flow (OPF) analysis, in the context of Matpower, a simulation tool that was used extensively throughout our research. Then, we proceed to the thorough description of the algorithm that carries out the optimization, and the objective function that was based on the idea of the linearization of system operation cost. Finally, we showcase the performance of our approach alongside the baseline results by Matpower’s optimal power flow function. Experimental evaluation was performed for small and large system case studies, where our algorithm’s accuracy and performance were further examined. 

description: Τα συστήματα HVDC αποτελούν μια ευρέως καθιερωμένη τεχνολογία για τη μαζική μετάδοση ηλεκτρικής ισχύς σε μεγάλες αποστάσεις. Ο όρος αναφέρεται στα συστήματα Υψηλής Τάσης Συνεχούς Ρεύματος, υποδεικνύοντας τη χρησιμοποίηση του συνεχούς ρεύματος (DC) ως αντικαταστάτη του εναλλασόμενου ρεύματος (AC) σε περιπτώσεις που το τελευταίο θα αποδεικνυόταν ιδιαίτερα προβληματικό. Η μικρή απόδοση του HVAC λόγω των υψηλών απωλειών μεταφοράς και του σημαντικού λειτουργικού κόστους κάνουν τα συστήματα HVDC να ξεχωρίζουν σε πολλές εφαρμογές. Επιπρόσθετα, σε ένα κόσμο όπου η διείσδηση των ανανεώσιμων πηγών ενέργειας στο δίκτυο είναι υψίστης προτεραιότητας, το HVDC κερδιζει σταδιακά περισσότερο έδαφος στη συλλογική προσπάθεια για μείωση των εκπομπών αερίων ρύπων από την παραγωγή ενέργειας. 
Κάτω από αυτές τις συνθήκες, τα συστήματα HVDC γίνονται όλο και πιο δημοφιλή για τη διασύνδεση περιφερειακών ή εθνικών ηλεκτρικών δικτύων για το σχηματιμό ενός μεγαλύτερου, ενωποιημένου δικτύου με ενισχυμένη ευστάθεια και αυξημένη αποδοτικότητα. Τα μεγάλα διαπεριφερειακά συστήματα δίνουν στα επιμέρους υποσυστήματα τη δυνατότητα να διεξάγουν συναλλαγές ισχύος με στόχο την αποτελεσματική κατανομή της παραγόμενης ισχύς στο ευρύτερο σύστημα, το οποίο είναι και το κέντρο γύρω από το οποίο αναπτύσσεται η παρούσα η εργασία.
Στο πλαίσιο αυτό, η κύρια πτυχή της εργασίας είναι η βελτιστοποίηση μεγάλων συστημάτων ηλεκτρικής ενέργειας, αποτελούμενων από υποσυστήματα που δεν διαθέτουν πληροφορία το ένα για την κατάσταση λειτουργίας του άλλου. Τα επιμέρους συστήματα είναι διασυνδεδεμένα αξιοποιώντας γραμμές μεταφοράς HVDC, που τους επιτρέπουν την ανταλλαγή ισχύος για την επίτευξη του ολικού ελάχιστου κόστους λειτουργίας. Πρώτα, γίνεται αναφορά στις ιδιότητες, τα οφέλη και τις αδυναμίες της τεχνολογίας HVDC, και στο ρόλο της στη σημερινή πραγματικότητα. Παρουσιάζουμε τις θεμελιώδεις τεχνολογίες πίσω από τη λειτουργία της ενώ ρίχνουμε μια συνοπτική ματιά στα χαρακτηριστικά τους. Επιπλέον, δίνουμε μια σφαιρική εικόνα της ανάλυσης ροής ισχύος (PF) και βέλτιστης ροής ισχύος (OPF)  στα πλαίσια του Matpower, ενός εργαλείου προσομοίωσης που χρησιμοποιείται εκτεταμένα σε όλη την έκταση της έρευνας μας. Έπειτα, προχωράμε στην αναλυτική περιγραφή του αλγορίθμου που φέρνει εις πέρας τη βελτιστοποίηση, και της αντικειμενικής συνάρτησης ελαχιστοποίησης που βασίζεται στη γραμμικοποίηση των συνάρτησεων κόστους λειτουργίας των επιμέρους συστημάτων. Τέλος, παρουσιάζουμε την απόδοση της προσέγγισης μας σε σχέση με τα ενδεικτικά αποτελέσματα της συνάρτησης βέλτιστης ροής ισχύος του Matpower. Πραγματοποιήθηκε πειραματική αξιολόγηση για περιπτώσεις μικρών και μεγάλων συστημάτων όπου η ακρίβεια και η απόδοση του αλγορίθμου μας εξετάστηκαν περαιτέρω.