Assessing transmission network flexibility: scientific and technological contributions for power system

Abstract

Durante as últimas décadas, os modelos utilizados para estimar o desempenho de sistemas de transmissão têm evoluído visando acomodar uma transformação tecnológica pela qual o setor elétrico está passando desde a sua desregulamentação. A transição energética, impulsionada principalmente pela integração de fontes de energia renováveis variáveis (e.g., energia solar e eólica), elos de corrente contínua, interfaces de eletrônica de potência, sistemas de armazenamento de energia, bem como a automação de componentes de potência, está promovendo um novo sistema elétrico com características híbridas, onde o crescimento de subsistemas síncronos e assíncronos vem apresentando novos desafios para as fases de operação e planejamento da expansão. Nesse sentido, as análises de desempenho de linhas de transmissão estão sendo realizadas sob a perspectiva tecnológica atual, buscando aprimorar modelos considerando novos desenvolvimentos tecnológicos. Com o objetivo de contribuir com este novo paradigma de avaliação de desempenho, esta tese está dividida em três segmentos exploratórios distintos. O segmento I apresenta uma discussão sobre o estado da arte, destacando novos desafios e oportunidades em sistemas de energia relacionados a tecnologias, modelos e metodologias de análise. O segmento II descreve a instalação de um protótipo de sistema de monitoramento óptico em uma linha de transmissão de alta tensão (ambiente operacional), permitindo a implementação de modelos para a avaliação de funções como Dynamic Line Rating, e possibilitando medidas operativas ligadas a flexibilidade da linha de transmissão. Este segmento II destaca os desenvolvimentos tecnológicos alcançados no decorrer da pesquisa. O segmento III apresenta as contribuições que estão relacionadas com a avaliação da capacidade do sistema de transmissão em responder a mudanças repentinas no ponto de operação do sistema elétrico, representando parâmetros operacionais de unidades geradoras e capacidade variável de linhas de transmissão. Este segmento destaca contribuições no campo da análise dos sistemas elétricos, possibilitando explorar os resultados alcançados no segmento II. Resultados numéricos mostraram que o método tecnológico probabilístico baseado em DLR pode ser incluído como uma alternativa de planejamento para reforçar o sistema de transmissão. Para ilustrar os resultados, uma linha de transmissão de alta tensão do Sistema Interligado Nacional, sistemas teste do IEEE e o sistema elétrico da Península Ibérica, o qual é composto por Portugal e Espanha, são utilizados como estudos de caso.

Abstract: During the last decades, the models used to estimate transmission systems performance have been evolving devising to accommodate a technological transformation which the electric sector has been experiencing since deregulation. The energy transition, mainly driven by the integration of variable renewable energy sources (e.g., solar and wind power), direct current links, power electronic interfaces, battery energy storage systems, as well as power system components automation, is promoting a new power system with hybrid characteristics, where the increasing of the asynchronous and synchronous subsystems are presenting new challenges to operation and planning phases. In this sense, transmission lines performance analyses are being realized under the actual technological perspective, seeking to improve models considering new technological developments. In order to contribute to this new performance evaluation paradigm, this thesis is divided into three distinct exploratory segments. Segment I presents a discussion over the state of the art, highlighting new challenges and opportunities in power systems related to technologies, models, and methodologies of analysis. Segment II describes the optical monitoring system prototype installation in a high voltage transmission line (operating environment), enabling models implementation for assessments of functions such as Dynamic Line Rating (DLR), and making possible operative measures linked to transmission line flexibility. This segment II also highlights the technological developments achieved during the research. Segment III presents contributions related to assessing the capacity of the transmission systems ability to respond to sudden changes in the power system point of operation, representing operational parameters of generating units and variable capacity of transmission lines. This segment highlights contributions in the power systems analysis scope, enabling explore the results achieved in segment II. Numerical results have shown that the proposed DLR-based technology method can be safely included in the list of possible alternatives to reinforce transmission systems. A high voltage transmission line of the Brazilian Interconnected System, IEEE reliability test systems, and the Iberian Peninsula power system, which is composed of Portugal and Spain, are used as study cases.