Efficient Integration of Distributed Generation in Electricity Distribution Networks - Voltage Control and Network Design

Abstract: Popular Abstract in Swedish Målet med arbetet var att öka mängden vindkraft, solel och annan distribuerad generering (DG) som kan anslutas till befintliga distributionsnät på ett snabbt och kostnadseffektivt sätt. Att införa aktiv spänningsreglering i nätet, istället för installation av nya ledningar, har identifierats som en lämplig strategi. Då denna princip bygger på att DG-enheternas produktion kan vara större än vad som traditionellt tillåts i anslutningspunkten måste dock den aktiva effekten kunna begränsas periodvis. Elektrifieringen började med lokal generering ofta driven av ångmaskiner eller vatten. Vid den tiden täckte distributionsnäten, där elen transporteras till kunderna, bara mindre områden. Sedan dess har distributionsnäten blivit allt mer sammanknutna via transmissionsnäten som transporterar elen över långa avstånd. Allteftersom har allt större genereringsenheter byggts. Dessa anläggningar är direkt anslutna till transmissionsnätet och effektflödet är då från genereringsenheten, via transmissions- och distributionsnätet, till kunderna. Distributionsnäten är ursprungligen byggda för enkelriktat effektflöde från matningsstationen till lasten hos kunderna. Sedan några år tillbaka har el från förnybara källor som vind och sol blivit allt vanligare. Oftast är dessa produktionsanläggningar småskaliga och anslutna till distributionsnäten. Denna typ av generering är distributionsnäten inte planerade och byggda för. Hur spänningen hos elkunden varierar är ett viktigt kvalitetsmått i elnätet och variationen måste begränsas för att utrustningen som anslutas ska fungera korrekt och inte skadas. Att mata förbrukning medför att effektflödet är i riktning mot kunderna och spänningen sjunker därmed från fördelningsstationerna längs ledningarna mot kundens anslutningspunkt. Spänningsfallet är då ungefär samma i alla ledningar och det är därför möjligt att hålla spänningen inom gränsvärden genom transformatorns lindningskopplare som reglerar spänningen vid fördelningsstationen. Ansluts däremot generering till distributionsnätet kan effektflödet gå åt andra hållet, från kund till fördelningsstation, och därmed öka spänningen i slutet av en radial istället. Denna spänningsökning är dagens distributionsnät inte byggda för och anslutningen av DG är därför begränsad i vissa situationer. Hittills har det förutsatts att nätet måste kunna ta upp den maximala effekten från DG enheterna i alla driftsituationer. I motsatts till traditionella kraftverk levererar exempelvis vindkraftverk dock bara kortvarigt maximal effekt vilket leder till att anslutningar som är planerade för den maximala effekten har en låg utnyttjandegrad. För att övervinna begränsningen som härrör från spänningsökningen föreslår avhandlingen en aktiv spänningsreglering i distributionsnät, med hjälp av en lindningskopplare vid fördelningsstationens transformator samt reaktiv effekt konsumtion från DG enheterna. Om dessa två metoder inte är tillräckliga för att hålla spänningen inom gränserna kan den aktiva effektinmatningen temporärt begränsas. Dock kan en sällan förekommande och kortvarig begränsning vara fördelaktig om kostnaderna för anslutningen minskas på detta sätt. Genom en aktiv spänningsreglering kan i många fall en större DG-kapacitet anslutas till befintliga nät utan att näten behöver byggas ut. På detta sätt kan anslutningskostnader, och tiden tills anslutningen är klar, minskas. I och med att energimängden som överförs i samma nät ökar blir också nätets utnyttjandegrad högre. I gengäld måste nedstyrning av aktiv effekt vara tillåten som sista utväg för spänningsregleringen. I detta fall är det viktigt för DG-exploatören att i förväg kunna uppskatta mängden energi som går förlorad vid nedstyrning så att en avvägning mellan högre anslutningskostnader och ingen nedstyrning samt lägre anslutningskostander och temporär nedstyrning kan göras för att bedöma investeringen. Avhandlingen presenterar beräkningsmetod för att relatera mängd förlorad energi till ansluten DG-effekt och förhållandena i nätet. Metoden är enkel och bedöms i motsats till många mer avancerade metoder ha goda förutsättningar för att kunna tillämpas praktiskt.