Impact of locally controlled distributed generation on the total behaviour of LV and MV Link_Grids

Abstract

Die EU Regularien streben nach einer Weiterentwicklung des elektrischen Energieversorgungssektors um die zukünftigen Herausforderungen von Versorgungssicherheit, Umwelteinfluss und Effizienz zu bewerkstelligen. Dezentrale Erzeugung spielt eine wichtige Rolle in der Umsetzung dieser erwähnten Anstrengungen. Derzeit durchläuft das elektrische Energiesystem eine Transformation, hervorgerufen durch die steigende dezentrale Energieerzeugung aus der erneuerbaren Energiequellen. Die stochastische Charakteristik dieser Quellen, wie Wind und Sonnenlicht, erschweren die Integration dieser Art von dezentraler Energieerzeugung in das bestehende System. Besonders die Zeiten in denen die dezentrale Erzeugung im Verteilnetz sehr hoch und gleichzeitig die allgemeine Last niedrig ist, können im Betrieb Unregelmäßigkeiten wie Anstieg der Netzspannung und Netzverluste Schwierigkeiten bereiten. Diese Probleme verlangen die Aufmerksamkeit der Energienetzbetreiber, um eine Lösung zu finden, damit eine sichere und verlässliche Versorgung der Endkunden garantiert werden kann. Genau mit diesen Herausforderungen und anderen Einflüssen, hervorgerufen durch die steigende dezentrale Energieerzeugung, beschäftigt sich diese Arbeit. Dafür wurden mehrere Testnetze in Mittelspannung (MS) und Niederspannung (NS) modelliert und als MS Link_Grids und NS Link_Grids implementiert, basierend auf einem neu entwickelten Konzept namens LINK-Solution. Um deren Effekt auf das MS Link_Grid zu simulieren, wurden NS Link_Grids in zwei verschiedenen Arten modelliert. Die dezentrale Erzeugung wurde mit PV Systemen realisiert, deren Wechselrichter, abhängig von Kundenund Netztyp, entweder mit Blindleistungsregelung Q(U) oder ohne Regelung (cos = 1) ausgestattet sind. Durch die Evaluierung von Netzverlusten, Blindleistungsaustausch zwischen NS/MS und MS/HS Ling_Grids und Spannungsprofilen, abgeleitet aus ausgiebigen Lastflusssimulationen, wird das Netzverhalten für verschiedene Last/Erzeugungsszenarien analysiert. Die Ergebnisse der Analyse haben gezeigt, dass sich das Netzverhalten drastisch ändert wenn die zwei untersuchten Last/Erzeugungsszenarien verglichen werden. Im Fall einer hohen PV Erzeugung bei kleiner Nachfrage sind die Netzverluste, der Blindleistungsaustausch und die Spannungsniveaus im Netz merkbar höher als bei keiner PV Erzeugung und hoher Nachfrage. Vergleicht man die zwei verwendeten Modelle von NS Link_Grids, „used“ und „proposed“, zeigt sich in theoretischen MS Link_Grids, dass die Unterschiede bei der Verwendung von Freileitungen für hohere Leitungslängen viel erkennbarer sind. Letztlich sieht man anhand der Lastflusssimulationen für das erste Last/Erzeugungsszenario in realen MV Link_Grids, dass die Anzahl an Überschreitungen der oberen Spannungsgrenze, Blindleistungsaustausch mit dem darüberliegenden HS Link_Grid und die zugehörigen Netzverluste im Falle des „proposed“ Modells größer sind. Daraus schließt sich, dass das Verhalten von MS Verteilnetzen realistischer nachgebildet werden kann wenn die sogenannten konzentrierten Lastcharakteristiken der NS Verteilnetze ohne unnötige Vereinfachhungen ihres Lastverhaltens dargestellt werden.

The EU regulations strive the development of the electric power sector aiming to overcome issues related to security of supply, environmental impacts and energy efficiency. Distributed generation (DG) plays the important role in resolving many of the aforementioned issues. Currently, the electric power system is undergoing a transformation caused by increased penetration level of DG based on renewable energy sources (RES). The stochastic nature of RES, such as wind and sun, makes the integration of this type of DG in distribution grids quite demanding. Especially, times when the grid experiences high DG production and low load demand, could cause some operational challenges, such as voltage rise and increased power flow losses along the grid. These challenges call for a prompt attention of distributed system operators (DSOs), who need to find some proper solutions so that a secure and reliable electric power supply can be guaranteed to the end-users at all time. Exactly those challenges and other impacts that are caused by increased penetration level of DGs are the focal points of this thesis. For that purpose several MV and LV test grids are modelled and implemented as MV and LV Link_Grids, which are based on the new developed approach called LINKSolution. For simulating their effects on the MV Link_Grids, LV Link_Grids were modelled in two different ways. Representation of DGs in MV and LV Link_Grids is realized with PV systems, which inverters, in correspondence to the customer class and grid type, are either equipped with appropriate reactive power voltage control Q(U) or without any control (cos = 1). Behaviour of the grids under different load/production scenarios is analysed by evaluating grid losses, exchanged reactive power between LV/MV and MV/HV Link_Grids and voltage profiles deriving from extensive power flow simulations. Results of the analysis have shown that the grids behaviour changes substantially when two different load/production scenarios are compared. In case of high PV production and relatively low load power demand the related grid losses, exchanged reactive power and voltage levels across the grid are much higher than in case of no PV production and high load power demand. Additionally, by taking into consideration the “used” and the “proposed” model of LV Link_Grids in theoretical MV Link_Grids, differences between the corresponding models are much more evident in case of the overhead-line feeder as the feeder length increases. Lastly, power flow simulations for the first load/production scenario in Real MV Link_Grids reveal that the number of upper voltage limit violations, reactive power exchange with the overlaid HV Link_Grid and the corresponding grid losses are much higher in case of the “proposed” model. Therefore, in order to properly assess the performance of MV distribution grids more realistically, lumped load models of LV distribution grids should be represented without unnecessary simplifications of their load behaviour.