Vertical volt/var chain control as part of the LINK-based holistic architecture

Abstract

Volt/var management is one of the most fundamental power system processes that enables the reliable and efficient operation of the electricity grids. Nowadays, the massive connection of renewable and distributed generation and the electrification of other sectors give rise to new challenges and opportunities that call for an adaption of the traditional Volt/var control schemes. Recently, different local controls, such as cosφ(P)- and Q(U)-control of photovoltaic inverters and on-load tap changers in distribution substations, have emerged to mitigate voltage limit violations at the low voltage level. However, the local controls of photovoltaic inverters provoke uncontrolled reactive flows in the superordinate grids challenging their operation. Attempts to coordinate them require large-scale data sharing leading to cybersecurity issues. As a result, the integration of distributed and renewable energy sources is stalling, even though it is needed more than ever to decarbonise the economy under today’s climate change condition. The LINK-based holistic architecture incorporates all power system levels, including customer plants, into a standardised structure. It perceives Smart Grids in two axes: horizontal axis including very high and high voltage grids; and vertical axis including the high, medium and low voltage grids and the customer plants. The secondary control is the basic instrument for coordinating the operation throughout the entire Smart Grid. This thesis focuses on the Volt/var secondary control chain process in the vertical axis. A comprehensive and systematic study is conducted to analyse the Volt/var behaviour in the presence of the recently emerged and newly introduced control strategies. Results show that cosφ(P)- and Q(U)-control of photovoltaic inverters and on-load tap changers in distribution substations are insufficient to meet the social and technical requirements of future Smart Grids. In contrast, the newly introduced X(U)-control in radial structures combined with Q-Autarkic customer plants maintain voltage limit compliance reliably, effectively, and efficiently while preserving the interests of all involved stakeholders. Additionally, it is found that the voltage limits in radial structures (e.g. medium voltage) are deformed by the voltage drops in the subordinate grids (e.g. low voltage). The deformation degree depends on the low voltage feeders' properties: the greater the feeder impedance and the number of connected customer plants, the more intensive is the deformation. The lumped grid models are extended by a new parameter, the "boundary voltage limits", to consider the limit deformation. It allows verifying voltage limit compliance at the low voltage level by conducting load flow analysis at the medium voltage level.

Das Spannungs- und Blindleistungs-Management ist einer der grundlegendsten Prozesse des Stromversorgungssystems, der den zuverlässigen und effizienten Betrieb der Netze ermöglicht. Heutzutage führt der massive Anschluss von erneuerbarer und dezentraler Erzeugung und die Elektrifizierung anderer Sektoren zu neuen Herausforderungen und Chancen, die eine Anpassung der traditionellen Regelungsstrategien erfordern. Deshalb wurden in jüngster Vergangenheit verschiedene lokale Regelungen, wie die cosφ(P)- und Q(U)-Regelung von Photovoltaik-Wechselrichtern und regelbare Ortsnetztransformatoren, eingeführt, welche den Verletzungen der Spannungsgrenzwerte im Niederspannungsnetz entgegenwirken sollen. Die lokalen Regelung der Photovoltaik-Wechselrichter führen jedoch zu unkontrollierten Blindleistungsflüssen in den übergeordneten Netzebenen, welche ihren Betrieb erschweren. Ihre Koordinierung würde einen immensen Datenaustausch benötigen, welcher die Cybersicherheit gefährdet. Infolgedessen stockt die Integration dezentraler und erneuerbarer Energiequellen, obwohl sie mehr denn je erforderlich ist, um die Wirtschaft unter den heutigen Bedingungen des Klimawandels zu dekarbonisieren. Die LINK-basierte ganzheitliche Architektur gliedert alle Ebenen des Stromversorgungssystems, einschließlich der Kundenanlagen, in eine standardisierte Struktur ein. Sie erfasst Smart Grids in zwei Achsen: die Horizontale, welche Höchst- und Hochspannungsnetze beinhaltet, und die Vertikale, welche Hoch-, Mittel- und Niederspannungsnetze sowie Kundenanlagen beinhaltet. Die Sekundärregelung bildet das grundlegende Instrument für den koordinierten Betrieb des gesamten Smart Grids. Diese Dissertation beschäftigt sich mit der Spannungs-/Blindleistungs-Kettenregelung in der vertikalen Achse. Das Netzverhalten unter den kürzlich eingeführten und neu vorgeschlagenen Regelungsstrategien wird in einer umfangreichen und systematischen Studie analysiert. Die Ergebnisse zeigen, dass die cosφ(P)- und Q(U)-Regelung von Photovoltaik-Wechselrichtern sowie die regelbaren Ortsnetztransformatoren nicht die sozialen und technischen Anforderungen zukünftiger Smart Grids erfüllen. Im Gegensatz dazu gewährleisten die X(U)-Regelung und ihre Kombination mit Q-Autarken Kundenanlagen die Einhaltung der Spannugsgrenzwerte zuverlässig, effektiv und effizient, während die Interessen aller beteiligten Akteure gewahrt bleiben. Außerdem zeigt sich, dass die Spannungsgrenzen in radialen Strukturen (z. B. Mittelspannungsnetze) durch die Spannungsabfälle in den untergeordneten Netzen (z. B. Niederspannungsnetze) verformt werden. Der Verformungsgrad hängt von den Eigenschaften der Niederspannungs-Stichleitungen ab: Je höher die Leitungsimpedanz und die Anzahl der angeschlossenen Kundenanlagen, desto stärker ist die Verformung. Die konzentrierten Modelle der Niederspannungsnetze werden um einen neuen Parameter, die "Grenzspannungsgrenzen", erweitert, um die Verformung der Spannungsgrenzen zu berücksichtigen. Die Grenzspannungsgrenzen ermöglichen die Überprüfung der Einhaltung der Spannungsgrenzwerte auf der Niederspannungsebene durch Lastflussanalysen auf der Mittelspannungsebene.