Conservation voltage reduction in European grids : a case study over different voltage levels: Customer Plants, Low- and medium voltage

Abstract

Conservation Voltage Reduction (CVR) is the practice of strategically > maintaining the voltage of the secondary side of electrical > distribution grids in the lower acceptable voltage range to lower the > power demand and overall energy consumption. It is an established > practice in the USA with proven economic and technical benefits, yet > it is still a large potential to be tapped elsewhere, especially in > Europe.> This thesis examines this potential in typical designs of the European > grids across different voltage levels (Customer Plants, Low- and > Medium Voltage) in a holistic view. in order to determine possible > savings while avoiding voltage-limit violations.> This research builds on the LINK-Solution, a concept developed by the > thesis’s supervisor to address a demand for a holistic model of > evolving smart grids. The fractal breakdown of the electrical grids > applied in this solution, allows for a unified modelling and control > strategies across all voltage levels, paving the way for the > standardization of smart grids.> CVR itself is still a long way from standardization, such that the > reaped benefits of this strategy are normally not straight-forward to > calculate, and the applied methodologies vary, with many still under > research and development. This thesis discusses examples of real-world > applications, factors affecting the savings, as well as existing > application methodologies and CVR techniques.> The Simulation-based methodology is chosen to be the basis of > researching possible CVR benefits using proven existing techniques and > also experimenting with new techniques, in light of the understanding > of the LINK-Solution. The research is done using updated modelling > parameters, while manipulating several factors to seek the optimal > operation point, where a full or partial potential is harvested.> The theoretical grids, where CVR is simulated under various > conditions, are explained and illustrated with the different > components and their mathematical models and parameters values. The > voltage reduction is simulated through the voltage chain (except for > the HV Grid-Link), experimenting with new techniques (namely on the LV > grid by adding controlled transformers at each customer plant or a > Voltage-Reactive power control system on the feeder) as well as the > effects of different factors that are relevant in the evolving grid > situation, such as the changing load models of customers and the > increasing share of distributed generation in grids.> The simulation results are quantified and plotted in comprehensive > overview for each simulation case. Indeed, all used techniques > achieved full or partial voltage reduction, however, with some proving > more economic and practical than others. An open-loop voltage > reduction at MV came on the top of the list, proving to be the most > economic technique under the simulated methods; it can increase > overall system efficiency in a typical European grid, i particularly > those with higher power consumption and with underground cable > structure.> While the experimental techniques simulated on LV have proven to be > impractical due to resulting losses that offset the gains of CVR.> The thesis came to the conclusion that CVR is viable for a typical > European distribution grid in light of its evolving structure, while > there is still more room for further research and development in this > field to achieve optimal results.>

Konservation Spannungsabsenkung (Conservation Voltage Reduction) (CVR) ist die strategische Praxis, die Spannung der Sekundärseite von elektrischen Verteilnetzen im unteren akzeptablen Spannungsbereich zu halten, um den Strombedarf und den Gesamtenergieverbrauch zu senken. Es ist in den USA eine etablierte Praxis mit nachgewiesenen wirtschaftlichen und technischen Vorteilen, aber es gibt noch ein großes Potenzial, das anderswo, insbesondere in Europa, erschlossen werden kann. Diese Masterarbeit untersucht dieses Potenzial in typischen Auslegungen der europäischen Netze über verschiedene Spannungsebenen (Kundenwerksanlagen, Nieder- und Mittelspannung) in einer ganzheitlichen Betrachtung, um mögliche Einsparungen zu ermitteln und gleichzeitig Spannungsgrenzverletzungen zu vermeiden. Diese Forschung beruht auf der LINK-Lösung auf, einem Konzept, das vom Betreuer der Masterarbeit entwickelt wurde, um dem Strombedarf nach einem ganzheitlichen Modell der sich entwickelnden Smart Grids gerecht zu werden. Die in dieser Lösung verwendete fraktale Aufteilung der Stromnetze ermöglicht eine einheitliche Modellierung und Regelungsstrategien über alle Spannungsebenen hinweg und ebnet den Weg für die Standardisierung von Smart Grids. CVR selbst ist noch weit von der Standardisierung entfernt, da die erntete Vorteile dieser Strategie normalerweise nicht einfach zu berechnen ist und die angewandten Methoden variieren, wobei viele noch in Forschung und Entwicklung sind. In dieser Masterarbeit werden Beispiele für reale Anwendungen, Faktoren, die die Einsparungen beeinflussen, sowie bestehende Anwendungsmethoden und CVR-Techniken diskutiert. Die simulationsbasierte Methodik wird als Grundlage gewählt, um mögliche Vorteile der CVR mit bewährten bestehenden Techniken zu untersuchend und auch mit neuen Techniken im Lichte des Verständnisses der LINK-Lösung zu experimentieren. Die Forschung erfolgt unter Verwendung aktualisierter Modellierungsparameter, während mehrere Faktoren manipuliert werden, um den optimalen Betriebspunkt zu finden, an dem ein volles oder teilweises Potenzial ausgeschöpft wird. Theoretischen Netze, in denen CVR unter verschiedenen Bedingungen simuliert wird, werden mit den verschiedenen Komponenten und ihren mathematischen Modellen und Parameterwerten erläutert und veranschaulicht. Die Spannungsreduzierung wird durch die Spannungskette (außer HV Grid-Link) simuliert, mit neuen Techniken experimentiert (nämlich am NS-Netz durch Hinzufügen von geregelten Transformatoren an jeder Kundenwerksanlagen oder einem Blindleistungsregelsystem am Feeder) als sowie die Auswirkungen verschiedener Faktoren, die in der sich entwickelnden Netzsituation relevant sind, wie beispielsweise die sich ändernden Lastmodelle der Kunden und der zunehmende Anteil dezentraler Erzeugung in den Netzen. Die Simulationsergebnisse werden für jeden Simulationsfall quantifiziert und in einer umfassenden Übersicht dargestellt. Tatsächlich erreichten alle verwendeten Techniken eine vollständige oder partielle Spannungsreduzierung, wobei sich jedoch einige als wirtschaftlicher und praktischer erwiesen als andere. Eine Open-Loop-Spannungsreduzierung bei Mittelspannung stand ganz oben auf der Liste und erwies sich unter den simulierten Verfahren als die wirtschaftlichste Technik; es kann die Gesamtsystemeffizienz in einem typischen europäischen Netz erhöhen, insbesondere in solchen mit höherem Stromverbrauch und mit Erdkabelstruktur. Während sich die auf Niederspannung simulierten experimentellen Techniken aufgrund der resultierenden Verluste, die die Gewinne von CVR kompensieren, als unpraktisch erwiesen haben. Die Masterarbeit kam zu dem Schluss, dass CVR angesichts seiner sich entwickelnden Struktur für ein typisches europäisches Verteilnetz praktikabel ist, während es noch mehr Raum für weitere Forschung und Entwicklung auf diesem Gebiet gibt, um optimale Ergebnisse zu erzielen.