Microgrid design toolkit methodology for extreme events, hazards, and fragilities mitigation trade-off analysis for remote rural communities in Puerto Rico

Abstract

Distribution networks are often the first to fail during extreme weather events or other disruptions, making them a critical component of energy resilience. This thesis proposes and evaluates a methodology to implement extreme events, their associated hazards, and the fragility of power system components into a power distribution model representative of a rural community on the main island of the Puerto Rican archipelago. Mainly, methods from resiliency studies of power transmission systems are adapted to evaluate the effects of extreme weather events on power distribution and microgrid systems. The Microgrid Design Toolkit optimization software was used to develop the power distribution model and to implement the above-mentioned elements. Extreme events such as tropical storms, hurricanes, and earthquakes were integrated into the power distribution model. The included hazards consider strong winds from cyclonic events and peak ground motion (PGA) caused by earthquakes. Similarly, the fragility to these hazards on distribution lines/poles, and generation components such as diesel fuel generators, photovoltaic generators, and energy storage components, were incorporated. The necessary preliminary assessments of the rural community to develop the power distribution model are presented. A baseline model was developed to assess the effects of extreme events, hazards, and fragilities on the existing system of the rural community. Various mitigation methods were evaluated, including upgrading the existing poles, undergrounding the distribution systems, and the design and optimization of a resilient microgrid. Performance metrics and assumptions are presented to compare the different mitigation methods with the rural community's baseline model. Finally, the trade-offs of the mitigation methods are evaluated.

Las redes de distribución suelen ser las primeras en falla durante eventos climáticos extremos u otras disrupciones, lo que las convierte en un componente crítico de la resiliencia energética. Esta tesis propone y evalúa una metodología para implementar eventos extremos, sus riesgos asociados y la fragilidad de componentes de sistemas de potencia en un modelo de distribución de potencia representativo de una comunidad rural en la isla principal del archipiélago de Puerto Rico. Principalmente, se adaptan métodos de estudios de resiliencia de sistemas de transmisión de potencia para evaluar los efectos de eventos climáticos extremos en los sistemas de distribución y microrredes. Se utilizó el programa de optimización Microgrid Design Toolkit para desarrollar el modelo de distribución de potencia de la comunidad y para implementar los elementos mencionados anteriormente. Eventos extremos como tormentas tropicales, huracanes y terremotos se integraron en el modelo de distribución de potencia. Los riesgos incluidos consideran vientos fuertes de eventos ciclónicos y el movimiento máximo del suelo (PGA) causado por los terremotos. De manera similar, se incorporó el impacto de estos riesgos en las líneas/postes de distribución y en los componentes de generación, como generadores de combustible diesel, generadores fotovoltaicos y componentes de almacenamiento de energía. También se presenta el análisis preliminar necesario de la comunidad rural para desarrollar el modelo de distribución de potencia. Se empleó un modelo base para evaluar los efectos de los eventos, riesgos y fragilidades agregadas en el sistema existente de una comunidad rural. Se evaluaron varios métodos de mitigación, incluyendo el reemplazo de postes existentes, el soterrado del sistema de distribución, y el diseño y optimización de una microrred resiliente. Se presentan métricas de rendimiento y suposiciones para comparar los diferentes métodos de mitigación con el modelo base de la comunidad rural. Finalmente, se evalúan los compromisos de los métodos de mitigación.